通过切削刀具研发提高汽车工业生产效率和安全性
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汽车工业中的加工是所有制造领域中最为典型的,出于对批量的要求,汽车制造流程中许多改进工作都遵循着“以量取胜”的原则。
汽车工业中的加工是所有制造领域中最为典型的,出于对批量的要求,汽车制造流程中许多改进工作都遵循着“以量取胜”的原则。这就是为什么在汽车加工中订制刀具的使用几乎和标准刀具一样普遍,而对于加工柔性的要求则退居次要位置。对缩短加工节拍的苛刻要求,哪怕是几秒钟的时间节省,是推动汽车加工工艺持续改进的根本动力之一,也正是这种对缩短加工时间的不懈追求,使得专用刀具在汽车加工工艺的持续优化过程中占有举足轻重的地位。
在汽车加工工艺的进化过程中,刀具制造商不断受到来自于汽车生产厂商的压力,每过一段时期就被要求推出比现有产品更优的解决方案。现在,能够满足相同类型加工的标准刀具正被不断开发出来,并且在汽车加工应用中所占的份额越来越大,这已经是一个日益明显的趋势。更多地使用标准刀具可以降低生产成本,交货可靠性也能得到更好的保障。
本文将着重介绍以下三个切削应用领域,从中我们将看到最新刀具不但满足了汽车制造业对提高加工效率的要求,而且保证了加工安全险。
车削:汽车零件的加工中车削加工使用广泛。在车削加工中,钢制的轴类和盘类零件在各种不同的条件下进行粗加工和精加工。对于零件质量的要求也是各有不同,但是对于加工节拍的要求永远是最重要的。传统的加工过程中,为了保证工件表面粗糙度的要求,刀具的进给量受到限制,无法进一步缩短加工时间。
铣削:铸铁零件的铣削在汽车零件加工领域极为常见。在该领域中,缸体和壳体的接触和密封面都需进行铣削。传统的加工过程中,机床的停机和刀具的不可靠性常常降低了加工效率,特别是在粗加工和半精加工工序。
螺纹车削:螺纹加工对质量的要求很高。一旦螺纹加工将要超差,生产就不得不停下来。螺纹加工对螺纹刀具的切削刃形状有很严格的要求,尤其是保持切削刃的准确定位。过去,螺纹刀片在刀片槽内的定位稳定性不高是限制提高生产效率的因素。

用新一代刀具进行车削在车削加工中,修光刀片(Wiper)的使用可以说是改变了“切削基本定律”。传统车削刀具的刀尖半径倾向在工件表面生成扇贝形的刀纹。刀具进给和刀尖半径的大小与扇贝形刀纹的截面高度有直接关系,决定了车削的表面质量。修光刀片的横刃刮平了由刀尖生成的扇贝形刀纹的顶部。在车削中修光的概念需要不断发展,可通过减小修光刃的长度以避免损害加工表面形状和产生过大的切削力。同时刀片需要控制切屑,并能像普通刀片一样直接装夹。
修光刀片最初开发的目的是在车削时保持表面粗糙度不变的同时将进给率提高到常规刀片的两倍,或者是保持进给率不变的条件下,将工件表面粗糙度提高到原来的两倍。很明显,在这两个可能性之间,可以建立进给与表面粗糙度改进的不同组合,由此所带来的零件车削生产效率的提高相当可观。
修光刃技术的原理是基于大的刀尖圆角半径由一系列较小的圆角半径拟合而成。对常规刀片切削刃的刀尖都有一个圆弧半径。正因如此,修光刀片必须符合常规ISO刀片的标准,它有一个名义刀尖圆弧半径尺寸,在各种加工应用中,这个圆弧半径尺寸是相同的。此外,修光刀片必须易于装夹和使用,在编程和刀尖半径补偿方面无需进行任何大的改动。

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第一片用于车削的修光刀片是由山特维克可乐满于1997年首先推出的。这款刀片采用了用于粗加工的刀片槽形,以保证刀尖的强度。同时这款刀片有足够长的修光刃,以便使用更高的进给量。切削刃口与工件的接触长度必须用恰当的断屑槽槽形进行平衡,以实现平稳的切削和较低的切削力。接下来,新的修光刀片类型是为精加工而开发的,对切削量的限制更加严格。在中等类型加工的刀片槽形基础上,这种刀片具有更锋利的切削刃和更大的正前角,在高进给率条件下足够安全可靠。两个第一代修光刀片(WM和WF)有相似的工件表面粗糙度形成特性,但是两者槽形不同,对刀具寿命影响特性也不同。与同规格的常规刀片相比,第一代修光刀片的切削力仅仅只提高了约5%,这意味只有在极端不稳定的情况下,才会受到修光刃槽形的负面影响,例如细长轴的车削,即使是采用常规刀片,并按照推荐切削参数也要特别小心。修光刀片的大进给率对某些工序可起到稳定作用,并可以通过选择更小的刀尖来克服振动趋势。
伴随修光刀片被广泛应用和对表面质量测量平估,修光刀片会引起振动的印象随之改变。与常规刀尖产生的光亮表面相比,修光车削后表面发暗的外观变得与高表面质量相联系起来。更大的修光刀尖半径在车削工序中可获揍川卜常满意的稳定性,也使Wiper槽形成为各种工件材料的普通车削的首选精加工刀片。
修光刀片在车削中还有另一个重要的效用:在许多工序中能改善断屑。部分原因是因为Wiper槽形设计为低进给率下具有良好的切屑控制性能和高进给率下具有平稳的断屑性能,这样在各种应用范围排屑控制都是最优的。
最近,用于车削的修光刀片又需要新的发展,特别是在汽车工业中。部分原因是在高的进给率清况下,第一代修光刀片生成的表面质量有不足之处。加大修光切削刃的名义半径吻合了生产中对表面质量的要求。然而对研发工作而言,其挑战是高进给率所需要修光刃的实际长度受到限制。
如今,经过精心设计的新一代修光刃技术正确地将名义半径与拟合半径的数目和大小相组合,该组合保证了正确的修光效果以及修光刃同其余切削刃部分的圆滑过渡。新的修光刃结构的关键所在是切削槽形与断屑槽形的完美组合,从而获得最佳的切削效果。
新一代修光刃技术必须提高工件表面粗糙度,进给率应至少等同现在的水平。任何由新的修光刀片产生的振动趋势必须低于第一代修光刀片。新的修光刀片发展的结果,创造了新的修光刃槽形WMX。新的修光刃槽形WMX表现出减少振动倾向的优良切削效果,可以通过监听加工中产生的噪声水平上被发现,也可以从加工中产生的切屑的形状观察到。
新一代修光刃槽形WMX与原来的修光刀片或汽车工业中许多车削工序使用的标准刀片相比有着更广泛的应用领域,同时覆盖了原来刀片的应用范围。使用更大的进给率可以开发出提高生产效率的潜力——能缩短30%的加工时间。如果采用工件表面粗糙度作为更换刀片的标准,由于刀刃磨损得到明显改善,新一代修光刃槽形WMX延长了刀具寿命。新的修光刀片符合ISO标准刀片的基本形状,易于装夹和使用。作为开发的初衷,提高加工工件的表面粗糙度水平,新的刀片WMX刀片已经表现出在最大进给率下获得更好的表面质量(Ra0.8)。在稍低进给率时,WMX可以生成低于Ra0.5的表面粗糙度。
已有的第一代修光刀片(WM和WF)将继续作为WMX的补充槽形存在。WM槽形带有一个坚固的切削刃,在对零件进行断续切削时,它是更安全可靠的解决方案;WF适合精加工,例如切深小于0.5mm时,或需要更锋利的切削刃时以及在精加工中改善排屑控制时。
修光刃设计目的和加工效果取决于切削刃是否与进给方向平行。在某些切削应用中,修光刀片有轻微的缺点,需要作编程调整。当零件有大于5°的锥度时,修光刃切削刃仍然可以进行切削,但是却没有优秀的修光效果。为了获得相同的表面质量,进给率必须调低到常规刀尖半径刀片的推荐值。
同样,在反车加工时,修光刃切削刃不能充分吃刀,因此进给率必须从修光刃的高进给率减小到常规刀尖半径刀片的推荐值。作为这些变动进给率手动输人的替换方法,目前有一个编程软件可以支持以上应用。
大部分车削加工是外圆车削和端面车削,这意味修光刀片可以显著地缩短切削时间、提高表面质量和改善排屑以及通过坚固的切削刃增加安全性。评估手头的车削工序,看看使用修光刃技术的可能性,然后用修光刃技术优化工艺,可以获得大量益处。
在普通车削工序中,在相同的刀柄上,将常规刀片变换成修光刀片就可以在保持出色、一致的表面质量的同时,直接缩短加工时间。新一代修光刀片WMX真正发展了修光刃技术,同时对高稳定性要求没有特殊限制,具有高进给时平稳的断屑作用,是首选且万能的解决方案。

铣削——从粗加工到精加工

铸铁铣削是发动机和壳体类零件制造的重要部分。在发动机制造中,正确的几何形状、良好的表面光洁度以及零废品都是绝对重要的目标。然而面对日益增加的成本压力,它们都黯然失色。为了满足上述所有要求,就需要可靠高效的刀具和解决方案,例如缸体和缸盖各平面的粗铣和精铣。
对于铸造厂或其它一级分包商来说,粗加工通常是毛坯加工的一部分,金属去除率是最重要的因素。精加工集合了所有对高效率、高可靠性和高质量的要求,其中很具挑战性的工序之州就是燃烧面的面铣削,它常常是完成缸体形状加工的最后工序。
在汽车工业中,铸铁是被广泛应用的工件材料。灰口铸铁仍占主要地位,按重量计,它是球墨铸铁和其它种类铸铁的数倍。最近,材料和生产的不断发展帮助扩展了蠕墨铸铁(CGI)、回火球墨铸铁(ADI)和一系列合金铸铁的使用,增加了铸铁加工材料的范围。铸铁缸套可与铝合金缸体组合,双金属使铣削加工变得更为困难。
为了提高加工工艺的生产效率和可靠性,一系列铸铁铣削解决方案近日已经推出。山特维克可乐满很早就领先推出了用于自动线的汽车专用铣刀和盖帽式铣刀进行大规模生产中的铸铁铣削。最近,越来越多的柔性线或单台加工中心用来加工小批量铸铁零件和汽车零件,即意味着80%的铣刀直径都在63~160mm范围内。这反映了现在的铸铁铣削形式日趋各异,既有小型加工中心上的小批量、轻型加工,又有大规模生产中自动线上或重型加工中心上的粗加工和精加工。

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在开发新的用于粗铣和半精铣刀具的过程中,所要达到的目标包括刀具进给的范围、切削力、工件破损、毛刺形成、表面质量和噪声大小等方面的改进。改进是从将主偏角从常规的45°提高到65°开始的,这带来了例如铣刀有更轻快的切入,可以更靠近夹具加工等方面的优点。但是,稍大的主偏角加大了刀具切出时工件崩边的趋势,这是由于大的径向切削力和铸铁材料中片状石墨结构产生效应的原因。事实上,更换刀具判断标准常常必须按照工件崩边的极限来设置。因此,为了应对大主偏角可能带来的崩裂效应,已经设计了新的65°刀具的刀片槽形,这种槽形可使刀具苗且出切削时更为有利。
此外,八个切削刃上的新槽形也使得切削力更朝向刀片的支撑定位面。同时部分刀片槽形构成八个正前角的切屑形成器,它们以最佳的方式定位在支撑刀片的两个面上。
虽然铸铁加工中切削力比较低,但是常因大接触面铣削时切削力分布在尽可能大的面积上而被高频放大,所以铸铁切削时刀具和刀片良好的支撑就变得至关重要。65°刀片的刀片槽有着良好的径向和轴向支撑面,并一直延伸到刀片的切削刃,这就使刀片能应对重载切削和抵抗变形,因此刀具在很长的使用寿命期间具有高的切削安全性。
对于这种新型铸铁面铣刀CoroMill 365,面铣刀刀体有超大的刀具支撑面,使铣刀能从机床主轴获得最大的法兰支撑,增加了稳定性。使用螺钉夹紧刀片使刀具处理变得方便,对于超密齿距刀体则使用楔块夹紧方式。冷却液是铸铁切削的必然组成部分,新的面铣刀刀体具有贯穿的冷却液通道,使冷却液可以直达每片刀片,以保证最大的冷却效果。
提高进给率和表面质量是刀具必需的特性,这些特性要求超密齿距、刀片切削刃的轴向安装精度以及修光刀片。在提供高切削安全性的同时,还需满足这些不断提高的性能要求,这已经在将已验证的铣削刀具概念集于一身的新型切削刀具的发展上得以成功实现。
现在,具有可更换刀夹的CoroMill面铣刀产品系列为铸铁和铝缸体、缸盖和壳体提供了半精加工、精加工以及粗加工解决方案。当刀具齿距、精度、夹持和可靠性是决定性因素时,基于像coroMill 245和Contury这样成熟概念的刀夹式铣刀已经获得广泛承认。
刀夹设计以及刀片的定位、可调和锁紧对加工性能和操作性能形成显著差异。在标准和订制刀体上使用标准刀夹可提供更多的有效齿数——这对提高生产效率和表面质量是至关重要的。每个刀夹轴向位置的控制决定了表面质量和刀体的一致性,确保任何替换刀体或姊妹刀体的使用水平。因此,刀体上刀夹严格的位置限制和稳定性与良好的粗调和微调相结合,是刀具性能的基础。良好的设计精度,与刀夹的齿形接口、极小跳动的刀片定位以及修光刀片技术相结合,使新型铣刀的性能和质量一致性达到了一瑕折的水平。
刀夹的可互换性大大提高了安全性、耐用性,降低了大直径刀具的成本和库存。切削时大直径刀具的重量是一个问题,因此CoroMill Contury铝质刀体的存在使得刀具的更换和夹持更为便利。部分刀夹式铣刀曾遭遇已加工表面质量因切屑而损伤的风险,而现在加速的冷却液从每个刀夹上新型设计的独立冷却口强行冲出,将切屑高效地冲离加工区域,极大地提高了加工安全性。
很多汽车铣削工艺是敏感的且主观的,因此在投资代表着很大的刀具成本的大直径刀具时,确保有充足的刀具备选项存在是非常重要的。通过在CoroMill刀夹上采用标准的CoroMill刀片刀片槽,许多不同的刀片类型就可以用于大直径铣刀,包括在几个位置使用修光刀片。这意味在刀夹这个刀具平台上刀片的选择有许多,从最新一代的涂层硬质合金牌号(与特定槽形相结合)到更专用的刀具材料例如氮化硅陶瓷、立方氮化硼和PCD刀片。这样大直径刀具可视现有的应用而优选。这为刀具选择和组合使用增加了灵活性,更容易地找到最佳加工解决方案。CoroMill 365面铣刀和大直径面铣刀的可换刀夹概念代表了两个重要的面向汽车工业的加工技术的进展。

采用iLock技术进行螺纹车削

当提到在螺纹车削中产生的问题,可转位刀片的微位移被认为是事故常见原因之一。切削刃在切削过程中的轻微移动往往会导致过早缩短的刀具寿命、无性能一致性和不能令人满意的加工效果。但是,最近刀片技术有了新的突破,找到了使刀片精确定位在刀柄上的方法,已经实现了切削刃稳定性的惊人改变。该项突破为更硬、更耐用的刀片材质开启了一扇大门,可靠地缩短了加工循环时间。

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在螺纹车削中,导致性能不佳和加工结果不理想的许多问题通常起因于对常见金属切削基本因素的疏忽,例如:刀具悬伸的最小化、刀具稳定性的最大化、切削刃的对中、最适合切削参数的应用以及选择最适当的刀具和加工方法等。螺纹车削的其它具体问题(包括每次走刀的切削深度、径向进给的不同方法以及为获得足够大的刃后角所需的刀片倾斜角)需要根据螺纹齿距和直径以及螺旋升角来确定。
作为螺纹最典型的特点,螺纹牙形和齿形误差是螺纹加工中导致质量不合格的最常见原因,也可能是由于公差或表面粗糙度不合格所导致。当出现这种情况时,切削刃的使用寿命通常是过早地结束了。到目前为止,形成不正确螺纹牙形的主要原因之一是刀片在刀柄上缺乏稳定性。刀片的微移动也会带来一些不利后果而导致刀具寿命缩短,其中一个主要的后果就是切削刃的崩刃,特别是在刀尖半径处。通过选择替代的夹紧螺钉,例如通常必须用U型螺钉代替快换螺钉,可以在一定程度上改善稳定性。但是直到目前仍然难以解决刀片在刀片座上的完全固定。第二个因素是螺纹车削中每次走刀的开始和结束,这意味着切削力的大小和方向有突然的变化。这些是加工工序过程中最敏感的移动,同时容易受到刀片位移风险的影响。刀片上螺纹牙形的尖端与螺钉形成一个杠杆,迫使切削刃轻微地改变位置并且使刀片槽里的支撑点变形。在螺纹车削的过程中,在每次走刀的开始和结束时产生交变的轴向力,在切入后和切削中平衡抵消。这种交变轴向力从不同方向作用在刀片上,产生刀片来回移动的趋势。第三个因素,螺纹类型的任何变化意味着切削力在大小乃至方向上的变化,但是刀片尺寸没有必要随着螺纹牙形的变化而变化而在刀片座提供不同的支撑程度。而且相同的刀片尺寸会有不同的螺距,这意味着大螺距的刀片并不比小螺距的刀片具有更多的支撑。如果刀片尺寸随着螺纹牙形和螺距的变化而变化,那么刀片和刀柄的规格将不得不变得超乎想象的多。因此,切削刃位移的主要后果是产生螺纹超差和刀片切削刃线的微小崩裂。如果在加工出不合格的螺纹牙形后仍不停止使用刀具,那么刀具磨损将更快加剧。由于切削刃发生磨损,刀片会承受更大的切削力而有进州步的位移,从而加速故障的发生。事实上,因位移而导致更换刀片的情况比因实际刀片磨损而更换的情况更多。就工序中的螺纹质量一致性而言,切削刃的精确定位是极为关键的。
刀片定位的另一方面就是可重复性。为了避免耗时的机床设置以及尽量减少或消除报废零件的产生,刀片在刀柄中的简易而精确的定位是很重要的。通常情况下,应尽可能地不要在走刀的过程中进行刀片转位以避免产生螺纹面的接刀。如果在走刀过程中需要进行刀片转位,那么对于保持和实现可接受的加工结果的关键是刀片的精确定位。与此相结合,考虑到机床停机时间的影响,在两次走刀之间的快速而简易地进行刀片转位也很重要。
螺纹车削的生产效率在很大程度上与螺纹车削刀具完成螺纹齿形所需的走刀次数相关。如果走刀次数太多,再加之切深不足,会造成过度的刀具磨损和摩擦热,从而导致快速的后刀面磨损和塑性变形。小切深也经常对切屑形成造成不利的影响,生成薄而难以控制的切屑。较少的走刀次数需要更大的切削深度,但是切削刃要承受更多的载荷。通过优化走刀次数,缩短了加工全螺纹所需的时间并改善了切削刃的吃刀量。大切深产生更高的切削力,从而增加刀片在刀座中发生位移的趋势,这也再次强调了刀片可靠定位的必要。
螺纹的另外一个典型特点是螺距,在某些情况下它可能是导致零件出错的原因。大多数螺距错误来自数控误差,而当机床、控制单元、设置和编程任何误差已经被消除时,就能够对可转位刀片在刀柄中的稳定性以及刀具横向进刀方式对螺距的影响进行评估。螺纹的螺距是一个零件设计的要素,通常情况下细牙螺纹对公差要求更严格,就切削而言由于单位毫米或英寸上更少的螺纹数量(进给率),加工细牙螺纹需要花费更长的时间。但是,螺跑越大越需要高的进给率和产生更大的切削力,这也需要非常稳固的刀片定位。
由于螺纹车削中切削刃的易损性,刀片需要尽可能硬并且耐磨,同时不易脆裂,在加工过程中无崩刃风险。现代加工中,切削刃尖部位产生大量的切削热,迫使刀具必须具有抗塑性变形的能力,发生塑性变形后随之而来即是快速后刀面磨损,若继续使用同一的切削刃,则会出现刃口崩裂。切削刃遭受塑性变形是螺纹车削中通过切削速度提高效率的最大障碍。不合适的刀片材质使得切削刃迅速报废而加工出不合格的螺纹,随后出现切削刃断裂。一般而言,适当的走刀次数与在预计的刀片寿命时的后刀面磨损相平衡是螺纹车削的努力目标。然而,为了承受机械载荷特别是螺纹牙形尖端的机械载荷,刀片需要具有一定的强度,刀片材质也需具有少量合理的韧性。对于加工内螺纹来说,这一要求极为明显。镬削工序总是伴随着刀具振动,让刀以及排屑的问题,因此适当的韧度对刀片性能和可靠性起着决定性的作用。
消除刀片在刀片槽中的微位移提供了采用新刀具材料的可能性,刀片材质的研发时无需过多考虑对加工的不稳定性予以弥补。因此,细晶粒刀片基体技术的最新发展提供了具有高红硬性的独特基体,使有着锋利切削刃的刀具具有抗塑性变形能力,例如螺纹车削、切断和切槽以及整体硬质合金立铣刀。GC 1125 是一种新的PVD涂层牌号,专为钢件的螺纹车削而优化,同时对其他工件材料也表现出很呼的性能。它通过使用更高的切削速度提高生产效率——在螺纹车削中经常因为刀具材料性能的限制而不能采用更高的切削速度。GC 1125的基体非常硬,没有采用任何梯度技术,因为其内在的韧度可提供足够的切削刃强度。PVD涂层是一种新型的多层氮铝化钦涂层,配以切削刃ER处理和刀片槽形,具有很高的刀刃安全性。如前所述,刀片的外部刃尖易发生塑性变形,加工螺纹牙顶的刀片部位因剥落和粘结而更容易出现磨损,从而形成积屑瘤。GC 1125作为PVD涂层,能较好消除这些趋势及后刀面磨损。后刀面磨损通常沿着加工形成螺纹面的切削刃出现,它是螺纹车削通用材质GC 1020的补充,可用以优化螺纹加工工序的生产效率。其它补充螺纹刀片材质包括带非常锋利非涂层牌号H13A,用于耐热合金、钛合金和某些铸铁。CB20为立方氮化硼材质,用于硬材料的螺纹车削。因此,基于诸多原因,螺纹车削刀片在刀柄刀片槽中的定位和锁紧的质量对高生产效率的实现、安全操作和零件质量一致性起到决定性的作用。采用过去的刀片锁紧和定位方法,在很多情况下已不可能把刀片紧固在刀片槽中。刀片的固定、刀垫的夹紧和简易转位即意味着折衷,刀片制造方法的局限已阻碍了实现突破传统方法的可能性。
CoroThread 266螺纹车削刀具的刀片定位和锁紧概念的发展,带来了更强的安全性、更长的刀具寿命和更高的生产效率。即使在切削或转位过程中受到切削力变化的影响,CoroThread 266也能把刀片精确而紧固地定位,这对螺纹车削来说是一个重要的突破。该刀具系列与采用传统的刀片夹紧系统刀具相比,能满足更高稳定性的要求。刀垫对于螺纹车削工序是非常重要的,因此已进行了重新设计,可为刀片在刀柄中的固定提供安全的基础。通过刀片座中两个牢固的接触面以及侧面固定的螺钉,刀垫为刀片提供其必需的牢固而精确的定位,这是一个外凸的精密导轨接口,对应的刀片即定位在这个导轨上。刀片夹紧螺钉将刀片紧贴在导轨上并径向与一个接触面相靠,提供了很高的稳定性和准确的定位。切削时,支撑刀片的导轨承受切削力,刀片座的任何刀片支撑点都无损坏风险。定位导轨垂直于进给方向。
对精度而言,CoroThread 266具有很高的重复定位精度,对M级公差刀片能确保刀刃轴向(进给方向)±0.05mm ,对E级公差刀片则为±0.01mm 。iLock导轨为刀片转位的速度和装夹提供方便,导轨的接触方式和间隙对其性能至关重要。导轨的形状和定位是经过大量研发而得,设定了刀垫和刀片之间的精确支撑点,而全新的刀片制造技术可使支撑点保持一致。此技术消除了刀片装夹的不对中,从而改善了刀片夹持状况。
综上所述,车削、铣削和螺纹车削这三个领域刀具的发展直接满足了汽车制造商对改善的加工性能、提高的安全性以及大批量生产中质量一致性的要求。随着作为切削的主要成功因素之一的切削刃绝对稳定性的提高,刀柄、可转位刀片以及两者间定位技术的全新发展已经彻底克服了现有局限,引领着汽车工业机械加工迈向更高效率。
本文作者:山特维克可乐满 Christer Richt
原载:《工具展望》2009年第5期
上载于:2011-7-13 12:57:16

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