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      激光加熱輔助切削
      轉載 :  zaoche168.com   2023年03月31日

      隨著航空航天工業、兵器工業、機械工業的發展,對產品零部件材料的性能有了更高要求,同時也出現了各種高強度、高硬度、高脆性的工程材料,材料性能提高的同時給加工帶來了困難,例如高溫合金在高溫下具有優良的熱強度、熱穩定及熱疲勞性能,采用常規切削方法刀具磨損嚴重,表面質量差;工程陶瓷硬度高、耐磨損、耐腐蝕,目前通常采用磨削加工,生產率低,成本高,砂輪損耗大。

      (本篇選自《數控刀具選用指南》第九章第八節激光加熱輔助切削)


      (一)激光加熱輔助切削技術特點

      LAM(加熱輔助切削)技術是將高功率激光束聚焦在切削刃前的工件表面,將工件局部加熱到很高的溫度,在材料被切除前的短時間內,其切削性能發生改變,之后采用刀具進行加工。通過對材料加熱,提高材料的塑性,使屈服強度降低到斷裂強度以下,降低切削力,減小刀具磨損,防止切削振顫,從而達到提高加工效率、降低成本、提升加工表面質量的目的,其原理和裝置分別如圖1和圖2所示。

      1 激光加熱輔助切削原理

      2 激光加熱輔助切削裝置

      激光的特點是相干性好,聚焦性強,功率密度高,是適合LAM的理想熱源,選擇合適的激光器與激光參數,對LAM加工至關重要,在早期的研究中,功率大,技術成熟的二氧化碳激光器是主要的光源,但是由于金屬材料對二氧化碳激光的吸收率比較低,導致其經濟性差,隨著激光技術的發展,激光器功率提高,設備的成本降低,尤其工程陶瓷材料的應用,激光加熱效率顯著提高。陶瓷材料對二氧化碳激光的吸收率可達85%以上,因此加工陶瓷等非金屬材料通常選用二氧化碳激光作為光源。與二氧化碳激光器相比,YAG(釔鋁石榴石)激光器輸出波長短,有利于金屬材料對激光的吸收,而且適于光纖傳導,光學傳輸部分得到簡化,能夠方便地與傳統機床集成,逐漸替代了二氧化碳光源。

      高功率半導體激光器(high power diode laser,HPDL)具有波長小、金屬材料吸收率高的優點,并且電-光能的轉化效率高,運行費用少,冷卻系統要求低,激光頭與外圍設備的體積大大減小,更適用于LAM技術的工業應用。

      車削是主要的激光加熱輔助加工方式,車削時車刀相對機床是靜止的,激光與車床整合相對容易,通過調整光纖頭與反射鏡的位置可以改變激光光斑直徑、激光入射角、激光與刀具之間的距離。與加熱輔助車削相比,輔助銑削方面的研究較少,首先,銑削是一個間歇切削過程,銑削加工過程復雜,影響因素多,容易引起刀具損壞;另外,由于銑刀在加工過程中是旋轉的,切削層的位置是周期變化的,因此將激光束與銑床結合相對困難。

      激光加熱輔助加工不只局限于車削、銑削,許多學者還將其他加工方式與激光加熱輔助相結合,如 刨削、磨削、鉆削以及拋光等加工方式。激光加熱輔助切削高溫合金取得了明顯成效。難加工材料,如Inconel718的常規切削速度只有1230m/min,而采用激光加熱輔助切削,其切削速度可以達到500m/min。采用激光加熱輔助切削時,切削力與常規相比可下降30%60%,刀具壽命延長210倍。激光加熱輔助切削使切屑形態發生轉變,高硬度材料的切屑由脆性斷裂變為連續狀,加工件的表面質量也得到改善。

      常溫下熱壓氮化硅陶瓷材料的硬度很高,其加工方法只有磨削,加工成本占產品總成本的60%95%。在激光加熱下,氮化硅的硬度不斷下降,在1300℃左右性能發生明顯轉變,此時可以用切削代替磨削,其切削速度可達90m/min,進給速度可達8m/min。


      (二)激光加熱輔助切削技術的應用

      美國AmeriChip國際公司開發了一種新的激光輔助切屑控制技術,可以完全消除會給加工過程造成麻煩的長帶狀切屑,從而能夠縮短加工時間達70%,降低加工成本達60%。AmeriChip的激光輔助切屑控制系統是一個獨立裝置,它利用一束激光在工件材料表面刻劃出一道窄槽,當該處材料被加工時,就會以細小切屑的形態被切離,而不會形成長帶狀切屑。這道激光刻劃的窄槽實際上消除了與切屑有關的所有麻煩。

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