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金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第一節(jié)
工件(gōngjiàn)表面的形成方法和成形運(yùn)動(dòng)零件的形狀是由各種表面組成的,所以零件的切削加工歸根到底是表面成形問題。
1.1.1
工件的加工表面及其形成方法
1.被加工工件的表面形狀
零件表面是由若干個(gè)表面元素組成的。這些表面元素是:(a)平面、(b)直線成形表面、(c)圓柱面、(d)圓錐面、(e)球面、(f)圓環(huán)面、(g)螺旋面等。如圖1-1所示:
共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第一節(jié)
工件(gōngjiàn)表面的形成方法和成形運(yùn)動(dòng)2.工件表面的形成方法
各種典型表面都可以看作是一條線(母線)沿著另一條線(導(dǎo)線)運(yùn)動(dòng)的軌跡。為得到平面(圖1-2),可以使直線1(母線)沿著直線2(導(dǎo)線)移動(dòng)。
母線和導(dǎo)線稱為形成表面的發(fā)生線。
有些表面的兩條發(fā)生線完全相同,只因母線的原始位置不同,也可形成不同的表面。如圖1-2中(a)與(b)。共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第一節(jié)
工件表面的形成方法和成形(chénɡxínɡ)運(yùn)動(dòng)3.發(fā)生線的形成方法及所需的運(yùn)動(dòng)
發(fā)生線是由刀具的切削刃與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)得到的。根據(jù)使用的刀具切削刃形狀和采取的加工方法不同,形成發(fā)生線的方法可歸納為四種:
(1)軌跡法:利用刀具作一定規(guī)律的軌跡運(yùn)動(dòng)來對(duì)工件進(jìn)行加工的方法。需要一個(gè)成形運(yùn)動(dòng)。如圖1-3(a)。
(2)成形法:利用成形刀具對(duì)工件進(jìn)行加工的方法。如圖1-3(b)。
(3)相切法:利用刀具邊旋轉(zhuǎn)邊作軌跡運(yùn)動(dòng)來對(duì)工件進(jìn)行加工的方法。用相切法得到發(fā)生線,需要兩個(gè)成形運(yùn)動(dòng),即刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和刀具中心按一定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。如圖1-3(c)。
(4)展成法:利用工件和刀具作展成切削運(yùn)動(dòng)的加工方法。如圖1-3(d)。
用展成發(fā)形成發(fā)生線需要一個(gè)成形運(yùn)動(dòng)(展成運(yùn)動(dòng))。典型例子是漸開線。共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第一節(jié)
工件表面的形成(xíngchéng)方法和成形運(yùn)動(dòng)1.1.2表面成形運(yùn)動(dòng)
機(jī)床加工零件時(shí),為獲得所需的表面,工件與刀具之間作相對(duì)運(yùn)動(dòng),既要形成母線,又要形成導(dǎo)線,于是形成著兩條發(fā)生線所需的運(yùn)動(dòng)的總和,就是形成該表面所需的運(yùn)動(dòng)。機(jī)床上形成被加工表面所需的運(yùn)動(dòng),稱為機(jī)床的工作運(yùn)動(dòng),又稱為表面成形運(yùn)動(dòng)。
工作運(yùn)動(dòng)是機(jī)床上最基本的運(yùn)動(dòng)。每個(gè)運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)、終點(diǎn)、軌跡、速度、方向等要素的控制和調(diào)整方式,對(duì)機(jī)床的布局和結(jié)構(gòu)有重大的影響。
1.表面成形運(yùn)動(dòng)分析
表面成形運(yùn)動(dòng)(簡(jiǎn)稱成形運(yùn)動(dòng))是保證得到工件要求的表面形狀的運(yùn)動(dòng)。
(1)成形運(yùn)動(dòng)的種類
1,簡(jiǎn)單成形運(yùn)動(dòng):簡(jiǎn)單成形運(yùn)動(dòng)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)。一般用符號(hào)A表示直線運(yùn)動(dòng),用符號(hào)B表示旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
2,復(fù)合成形運(yùn)動(dòng):如把螺旋運(yùn)動(dòng)分解成等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和等速直線運(yùn)動(dòng)。
前者是復(fù)合運(yùn)動(dòng)的一部分,各個(gè)部分必須保持嚴(yán)格的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系,是互相依存,而不是獨(dú)立的。簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)之間是互相獨(dú)立的,沒有嚴(yán)格的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
(2)零件表面成形所需的成形運(yùn)動(dòng)
母線和導(dǎo)線是形成零件表面的兩條發(fā)生線。因此,形成表面所需要的成形運(yùn)動(dòng),就是形成其母線及導(dǎo)線所需要的成形運(yùn)動(dòng)的總和。為了加工出所需的零件表面,機(jī)床就必須具備這些成形運(yùn)動(dòng)。用普通車刀削外圓、用成形車刀削成形回轉(zhuǎn)表面、用螺紋車刀削螺紋、用齒輪滾刀加工直齒圓柱齒輪齒面等。
2.主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和合成切削運(yùn)動(dòng)
(1)主運(yùn)動(dòng)
使工件與刀具產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)以進(jìn)行切削的最基本運(yùn)動(dòng)。在表面成形運(yùn)動(dòng),必須有且只能有一個(gè)主運(yùn)動(dòng)。
(2)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)
維持切削加工得以繼續(xù)的運(yùn)動(dòng)。
(3)合成切削運(yùn)動(dòng)
由同時(shí)進(jìn)行的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)合成的運(yùn)動(dòng)。共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第二節(jié)
加工(jiāgōng)表面和切削用量三要素1.2.1
切削過程中工件上的加工表面
(1)待加工表面
加工是即將被切除的表面
(2)已加工表面
已被切去多余金屬而形成符合要求的工件新表面
(3)過渡表面
加工時(shí)由主切削刃正在切削的那個(gè)表面,他是待加工表面之間的表面共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第二節(jié)
加工(jiāgōng)表面和切削用量三要素1.2.2
切削用量三要素
(1)切削速度υc(2)進(jìn)給量f(3)切削深度αp稱之為切削用量三要素
1.切削速度
主運(yùn)動(dòng)為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),切削速度的計(jì)算公式如下:
υc=πdn/1000
(m/s或m/min)
式中
d——工件或刀具上某一點(diǎn)的回轉(zhuǎn)直徑,mm;
n——工件或刀具的轉(zhuǎn)速,r/s或r/min。
2.進(jìn)給速度υf,進(jìn)給量f和每齒進(jìn)給量fz
進(jìn)給速度υf是單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)給位移量,單位是mm/s(或mm/min)。
進(jìn)給量f是工件或刀具每回轉(zhuǎn)一周時(shí)二者進(jìn)給方向的相對(duì)位移,單位是mm/r(毫米/轉(zhuǎn))。
每齒進(jìn)給量fz,單位是mm/齒。
三者有如下關(guān)系υf=fn=fzzn
(mm/s或mm/min)
3.切削深度αp
切削深度αp為工件上已加工表面和待加工表面間的垂直距離,單位為mm。
外圓車削時(shí)切削深度可用下式計(jì)算:
αp=(dw-dm)/2
(mm)
對(duì)于鉆削
αp=dm/2
(mm)
上兩式中
dm——已加工表面直徑,
mm;
dw——待加工表面直徑,
mm。
共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第三節(jié)
刀具(dāojù)角度1.3.1
刀具切削部分的結(jié)構(gòu)要素
外圓車刀是最基本、最典型的切削刀具,其切削部分(又稱刀頭)由前面、主后面、副后面、主切
削刃、副切削刃和刀尖所組成。刀具切削部分的結(jié)構(gòu)要素如圖1-5所示,其定義如下:
前刀面切屑流過的表面,以Aγ表示。
主后刀面與工件上過渡表面相對(duì)的表面,以Aα表示。
副后刀面與工件上已加工表面相對(duì)的表面,以A′α表示。
主切削刃前刀面與主后刀面的交線,記為S。它承擔(dān)主要的切削工作。
副切削刃前刀面與副后刀面的交線,記為S′。它協(xié)同主切削刃完成切削工作,并最終形成已加工表面,如圖1-6所示。共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第三節(jié)
刀具(dāojù)角度刀尖主副切削刃銜接處很短的一段切削刃。也稱為過度刃。它可以是小的直線段或圓弧。
常用有交點(diǎn)刀尖、圓弧刀尖和倒棱刀尖共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第三節(jié)
刀具(dāojù)角度1.3.2
刀具角度的參考系
刀具切削部分的幾何形狀主要有一些刀面和刀刃的方位角度來表示。為了確定刀具的這些角度,必須將刀具置于相應(yīng)的參考系中。參考系可分為刀具標(biāo)注角度參考系和刀具工作角度參考系,前者由主運(yùn)動(dòng)方向確定,而后者有合成切削運(yùn)動(dòng)方向確定。共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第三節(jié)
刀具(dāojù)角度1.刀具標(biāo)注角度參考系(見圖1-7與圖1-8)
基面Pr通過主切削刃上選定點(diǎn),垂直于該點(diǎn)切削速度方
向的平面。
切削平面Ps通過主切削刃上選定點(diǎn),與主切削刃相切,且垂直于該點(diǎn)基面的平面。
主剖面Po
通過切削刃上選定點(diǎn),同時(shí)垂直于基面和切削平面的平面。
主剖面參考系
Pr-Ps-Po組成一個(gè)正交的主剖面參考系。目前生產(chǎn)中最常用的刀具標(biāo)注角度參考系
切削刃法剖面Pn
通過切削刃上選定點(diǎn),垂直與切削刃的平面。
進(jìn)給剖面Pf
通過切削刃上選定點(diǎn),平行于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向并垂直于基面的片面。
切深剖面Pp
通過切削刃上選定點(diǎn),同時(shí)垂直于Pr和Pf的平面。
進(jìn)給、切深剖面參考系
Pr-Pf-Pp組成共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第三節(jié)
刀具(dāojù)角度
2.刀具工作角度參考系
在刀具標(biāo)注參考系里定義基面時(shí),只考慮主運(yùn)動(dòng),未考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。但刀具在實(shí)際使用時(shí),這樣的參考系所確定的刀具角度往往不能反映切削加工的真實(shí)情形,只有用合成切削運(yùn)動(dòng)方向來確定參考系。
其定義見表1-1。
共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第三節(jié)
刀具(dāojù)角度
1.3.3
刀具標(biāo)注角度
在刀具標(biāo)注角度參考系中確定的切削刃與各刀面的方位角度,稱為刀具標(biāo)注角度。如圖1-9所示。
1.主剖面參考系內(nèi)的標(biāo)注角度
前角γo
在主剖面內(nèi)度量的前刀面與基面的夾角。
后角αo在主剖面內(nèi)度量的主后刀面與切削平面的夾角。后角一般為正值。
刃傾角λs在切削平面內(nèi)度量的主切削刃與基面間的夾角。
主偏角κr在基面內(nèi)測(cè)量的主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的夾角。主偏角一般為正值。
副偏角κ′r在基面內(nèi)測(cè)量的副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)反方向的夾角。副偏角一般為正值
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刀具(dāojù)角度
2.法剖面參考系內(nèi)的標(biāo)注角度
法前角γn
在法剖面內(nèi)度量的前刀面與基面的夾角。
法后角γn
在法剖面內(nèi)度量的切削平面與后刀面的夾角。
法楔角βn
在法剖面內(nèi)度量的前刀面與后刀面的夾角。
3.進(jìn)給、切深剖面參考系內(nèi)的標(biāo)注角度
進(jìn)給、切深剖面參考系內(nèi)的標(biāo)注角度可以從圖1-9所示的R向視圖Pr、F-F(Pf)和P-P(Pp)剖面圖中得到。
1.3.4
刀具角度換算
1.主剖面與法剖面內(nèi)的角度換算
共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第三節(jié)
刀具(dāojù)角度
共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第三節(jié)
刀具(dāojù)角度
2.主剖面與其它剖面內(nèi)的角度換算
共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第三節(jié)
刀具(dāojù)角度
共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第三節(jié)
刀具(dāojù)角度
1.3.5
刀具工作角度
1.進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)刀具工作角度的影響
(1)橫車
圖1-12所示為切斷車刀加工時(shí)的情況,此時(shí)切削速度Vc變至合成速度Ve,因而基面Pr由水平位置變至工作基面Pre,切削平面Ps由鉛垂位置變至工作切削平面Pse,從而引起刀具的前角和后角發(fā)生變化:
γoe
=γo
+
μ
αoe=αo
-
μ
μ=arctgf/(πd)
式中,γoe,αoe---工作前角和工作后角。由此可知,當(dāng)進(jìn)給量f增大,則μ值增大;當(dāng)瞬時(shí)直徑
d減小,μ值也增大。因此,車削至接近工件中心時(shí),μ值增長(zhǎng)的很快,工作后角將由正變負(fù),致使工件最后被擠斷。共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第三節(jié)
刀具(dāojù)角度
(2)縱車
車削外圓時(shí),假定車刀λs=0,如不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng),則基面Pr平行于刀桿底面,切削平面Ps垂直于刀桿底面。若考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng),則過切削刃上選定點(diǎn)的相對(duì)速度是合成切削速度Ve而不是主運(yùn)動(dòng)Vc,故刀刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件表面的運(yùn)動(dòng)就是螺旋線。這時(shí)基面Pr和切削平面Ps就會(huì)在空間偏轉(zhuǎn)一定的角度u,從而使刀具的工作前角λoe增大,工作后角減?。ㄒ妶D1-13)。
γoe=γo+μ
αoe=αo-μ
tgμ=fsinκr/(πdw)
可知,進(jìn)給量f越大,工件直徑dw越小,則工作角度值的變化就越大。一般車削時(shí),由進(jìn)給運(yùn)動(dòng)所引起的μ值不超過30′~1o,故其影響??珊雎?。但是在車削大螺距螺紋或蝸桿時(shí),進(jìn)給量f很大,故μ值較大,此時(shí)就必須考慮它對(duì)刀具工作角度的影響。
共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第三節(jié)
刀具(dāojù)角度
2.切削刃上選定點(diǎn)安裝高低對(duì)刀具工作角度的影響
車削外圓時(shí),車刀的刀尖一般與工件軸心是等高的。如果刀尖高于或低于工件軸線,則此時(shí)的切削速度方向發(fā)生變化,引起基面和切削平面的位置改變,從而使車刀的實(shí)際切削角度發(fā)生變化。如圖1-14所示:刀尖高于工件軸線時(shí),工作切削平面變?yōu)镻se,工作基面變?yōu)镻re,則工作前角λoe增大,工作后角αoe減小;刀尖低于工件軸線時(shí),工作角度的變化正好相反:
γoe=γo±θ
αoe=αo+θ
tgθ=hcosκr/√(dw/2)2-h(huán)2
式中,h——刀尖高于或低于工件軸線的距離(mm共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第三節(jié)
刀具(dāojù)角度
3.刀柄中心線與進(jìn)給方向不垂直對(duì)刀具工作角度的影響
當(dāng)車刀刀桿的中心線與進(jìn)給方向不垂直時(shí),車刀的主偏角kr和副偏角k′r?qū)l(fā)生變化。刀桿右斜(見圖1-15),將使工作主偏角kre增大,工作副偏角k′re減小;如果刀桿左斜,則kre減小,k′re增大:
kre
=
kr
±
j
k′re
=
k′r+
j
式中,j——進(jìn)給方向的垂線與刀桿中心線的夾角共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第四節(jié)
切削(qiēxiāo)層參數(shù)與切削(qiēxiāo)方式
1.4.1
切削層參數(shù)
各種切削加工的切削層參數(shù),可用典型的外圓縱車來說明。如圖:
1.切削層
在各種切削加工中,刀具相對(duì)于工件沿進(jìn)給方向每移動(dòng)f(mm/r)或fz(mm/齒)之后,一個(gè)刀齒正在切削的金屬層稱為切削層。切削層的尺寸稱為切削層參數(shù)。切削層的剖面形狀和尺寸通常在基面內(nèi)觀察和度量。
2.切削厚度
垂直于過渡表面來度量的切削層尺寸,稱為切削厚度,以hD表示。在外圓縱車(λs=0)
hD=fsinκr
3.切削寬度
沿過渡表面來度量的切削層尺寸,稱為切削寬度,以bD表示。在外圓縱車(λs=0)
bD=αp/sinκr
共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第四節(jié)
切削(qiēxiāo)層參數(shù)與切削(qiēxiāo)方式
4.切削面積
切削層在基面內(nèi)的面積,稱為切削面積,以AD表示。其計(jì)算公式為:
AD=hDbD
5.金屬切除率
金屬切除率是指刀具在單位時(shí)間內(nèi)從工件上切除的金屬的體積,它是衡量金屬切削加工效率的指標(biāo)。
1.4.2
切削方式
1.正切削和斜切削
切削刃垂直于合成切削運(yùn)動(dòng)的切削方式稱為正切削或直角切削。如切削刃不垂直于切削運(yùn)動(dòng)方向則稱為斜切削或斜角切削。
2.自由切削與非自由切削
自由切削是只有直線形切削刃參加切削工作者。
非自由切削是曲線形主切削刃或主副切削刃均參加切削者。
根據(jù)切削變形是二維變形還是三維變形進(jìn)行區(qū)分的。共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第五節(jié)
刀具(dāojù)材料
1.5.1
刀具材料應(yīng)具備的基本性能
(1)高的硬度
刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度。刀具材料的常溫硬度,一般要求在HRC60以上。
(2)高的耐磨性
耐磨性表示刀具抵抗磨損的能力。一般刀具材料的硬度越高,耐磨性越好。
(3)足夠的強(qiáng)度和韌性
以便承受切削力,沖擊和振動(dòng),而不致于產(chǎn)生崩刃和折斷。
(4)高的耐熱性(熱穩(wěn)定性)
耐熱性是指刀具材料在高溫下保持硬度,耐磨性,強(qiáng)度和韌性的能力。
(5)良好的熱物理性能和耐熱沖擊性能
即刀具材料的導(dǎo)熱性能要好,不會(huì)因受到大的熱沖擊產(chǎn)生刀具內(nèi)部裂紋而導(dǎo)致刀具斷裂。
(6)良好的工藝性能
即刀具材料應(yīng)具有良好的鍛造性能,熱處理性能,焊接性能,磨削加工性能等。
1.5.2
高速鋼
高速鋼是含有較多鎢、鉬、鉻、釩等元素的高合金工具鋼。高速鋼具有較高的硬度(熱處理硬度可達(dá)HRC62—67)和耐熱性(切削溫度可達(dá)550—600o)。與碳素工具鋼和合金工具鋼相比,高速鋼能提高切削速度1—3倍(因此而得名),提高刀具耐用度10—40倍,甚至更多。它可以加工從有色金屬到高溫合金在內(nèi)的范圍廣泛的材料。
高速鋼刀具制造工藝簡(jiǎn)單,能鍛造,容易磨出鋒利的刀刃,因此在復(fù)雜刀具(鉆頭、絲錐、成形刀具、拉刀、齒輪刀具等)的制造中,高速鋼占有重要地位。
高速鋼按用途不同,可分為通用型高速鋼和高性能高速鋼;按制造工藝不同,可分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。表1-2列出了常用高速鋼的力學(xué)性能和適用范圍。共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第五節(jié)
刀具(dāojù)材料
共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第五節(jié)
刀具(dāojù)材料
1.5.3
硬質(zhì)合金
硬質(zhì)合金是高硬度、難熔金屬碳化物(主要是WC,TiC等,又稱高溫碳化物)微米級(jí)的粉末,用鈷或鎳作粘結(jié)劑燒結(jié)而成的粉末冶金制品。允許切削溫度高達(dá)800-1000·C,切削中碳鋼時(shí),切削速度可達(dá)100-200m/min.
1.高溫碳化物
硬質(zhì)合金的性能主要取決于金屬碳化物的種類、性能、數(shù)量、粒度和粘結(jié)劑的份量。
(1)碳化物的種類和性能
在硬質(zhì)合金中碳化物所占比例越大,則硬度越高;反之,碳化物減少,則硬度低,但抗彎強(qiáng)度提高。
(2)碳化物的粒度
碳化物的粒度越細(xì),則越有利于提高硬質(zhì)合金的硬度和耐磨性,但當(dāng)粘結(jié)劑含量一定時(shí),如碳化物粒度減小,則碳化物顆粒的總表面積加大,使粘結(jié)層厚度減薄,從而降低了合金的抗彎強(qiáng)度。反之,則合金的抗彎強(qiáng)度提高,而硬度降低。碳化物粒度的均勻性也影響硬質(zhì)合金的性能,粒度均勻的碳化物可形成均勻的粘結(jié)層,可防止產(chǎn)生裂紋。在硬質(zhì)合金中添加TaC能使碳化物粒度均勻和細(xì)化。
2.硬質(zhì)合金的種類和牌號(hào)
目前大部分硬質(zhì)合金是以WC為基體,并分為WC-Co(YG類),WC-TiC-Co(YT類),WC-TaC(NbC)-Co(YA類)以及WC-TiC-TaC(NbC)-Co(YW類)四類。表1-3列出了常用硬質(zhì)合金的牌號(hào)、性能和使用范圍。
共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第五節(jié)
刀具(dāojù)材料
共二十八頁(yè)金屬(jīnshǔ)切削的基本要素第五節(jié)
刀具(dāojù)材料
3.硬質(zhì)合金的性能
(1)硬度
由于WC,TiC等的硬度很高,所以合金的硬度也很高,一般在HRA89-93之間。硬質(zhì)合金的硬度隨著溫度的升高而降低。合金的高溫硬度主要取決于碳化物在高溫下的硬度。添加TaC(或Nb)能提高高溫硬度。
(2)抗彎強(qiáng)度和韌性
常用牌號(hào)硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度在0.
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