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Schema di una turbina con compressore completa di rigeneratori
Una turbina a gas, detta anche turbina a combustione, è una macchina motrice rotante che trasforma in energia meccanica l’energia potenziale contenuta nel flusso di gas combusti.
Descrizione generale [modifica]
Una turbina a gas è costituita da un compressore accoppiato ad una turbina e da una camera di combustione situata tra questi due componenti. (Il termine turbina a gas talvolta si riferisce soltanto alla sezione turbina e non alla macchina completa). L’energia è generata dal flusso di aria compressa, miscelata col combustibile e fatta bruciare in camera di combustione. La combustione aumenta la temperatura, la velocità ed il volume del flusso di gas e quindi l’energia in esso contenuta. Tale flusso è indirizzato verso le pale di turbina attraverso gli ugelli e fa ruotare la turbina, la quale genera energia meccanica sfruttabile per azionare macchine operatrici, accoppiate a ruote di veicoli o a eliche di velivoli. La stessa turbina fornisce anche l’energia necessaria ad azionare il compressore. Un propulsore basato sulla turbina a gas è il motore a reazione, in cui l’energia potenziale dei gas di scarico è sfruttata in forma di spinta, che consente agli aeroplani da questo motorizzati, il raggiungimento di elevate velocità, anche supersoniche. L’energia è fruita sotto forma di potenza meccanica all’albero, aria compressa e spinta, in tutte le loro combinazioni, ed è utilizzata per la propulsione di aerei, treni, navi e carri armati, oppure per la produzione di energia elettrica mediante generatori. Anche il calore dei gas di scarico può essere sfruttato per produrre ulteriore energia elettrica oppure per usi industriali o civili.
Da un punto di vista termodinamico, il funzionamento delle turbine a gas è descritto dal Ciclo Brayton, in cui l’aria è compressa isoentropicamente, la combustione avviene a pressione costante e l’espansione in turbina avviene isoentropicamente fino alla pressione di aspirazione. Nel ciclo reale attrito e turbolenza provocano:
- Compressione non isoentropica – dato un certo rapporto di compressione, la temperatura allo scarico del compressore è più alta rispetto a quella ideale.
- Espansione non isoentropica - dato un certo rapporto di compressione, la temperatura allo scarico della turbina è più alta rispetto a quella ideale, quindi il lavoro utile diminuisce.
- Perdite di carico in camera di combustione – riducono il salto di pressione disponibile per l’espansione e quindi anche il lavoro utile.
Principio di funzionamento [modifica]
Come per qualunque macchina termica, un’alta temperatura di combustione produce un’alta efficienza, come dimostrato dal ciclo ideale di Carnot, in cui si dimostra che il rendimento è tanto più elevato, quanto più è alto il rapporto tra temperatura minima e massima del ciclo. Il fattore limitante è la capacità dei materiali che costituiscono la macchina (acciaio, super leghe a base nichel o cobalto e materiali ceramici) a resistere a temperatura e pressione. La ricerca si è infatti concentrata verso le tecniche rivolte al raffreddamento dei componenti, le quali consentono alle palette più sollecitate, quelle della turbina, di resistere continuativamente a temperature superiori a 1.500 °C. In molte applicazioni si cerca anche di recuperare il calore allo scarico, altrimenti dissipato. I rigeneratori sono scambiatori di calore che trasferiscono il calore dei gas di scarico all’aria compressa, prima della combustione. Nella configurazione del ciclo combinato, la caldaia a recupero trasferisce il calore ad un sistema che alimenta una turbina a vapore. Nel caso della cogenerazione il calore recuperato serve per produrre acqua calda. Gli impianti che sfruttano questo recupero di calore, sono definiti impianti combinati, in quanto combinano il ciclo Brayton della turbina a gas con quello Rankine della turbina a vapore. Da un punto di vista meccanico, le turbine a gas possono essere considerevolmente più semplici rispetto ai motori a combustione interna alternativi. Le turbine più semplici possono avere un solo organo mobile (escludendo il sistema combustibile): il rotore composto da albero, compressore, turbina e alternatore. Turbine a gas più sofisticate possono avere alberi multipli, centinaia di palette di turbina, palette statoriche regolabili e sistemi complessi di tubazioni, combustori e scambiatori di calore. In generale, al diminuire della taglia della turbina aumenta il regime di rotazione dell’albero (o degli alberi), in quanto la velocità periferica delle pale è un limite progettuale. I motori aeronautici operano intorno ai 10.000 giri/min (sezione di alta pressione) e le micro turbine intorno ai 100.000 giri/min. I cuscinetti portanti e reggispinta sono una parte critica per la progettazione. Tradizionalmente sono stati usati cuscinetti idrodinamici ad olio, oppure cuscinetti a sfere raffreddati a olio. La tendenza attuale è verso i cuscinetti ad aghi che sono comunemente utilizzati nelle micro turbine e nelle APU (Auxiliary Power Units: Unità di Potenza Ausiliarie).
Uno degli elementi più soggetti ad usura di un motore a getto: una paletta di una turbina di un motore
turboventola Rolls-Royce (Turbo-Union) RB199. Si notino i fori per il raffreddamento sul
bordo d'attacco.
Il compressore è formato da palette in leghe di titanio e alluminio le quali hanno buone caratteristiche meccaniche e fisiche (leggerezza e resistenza a corrosione/ossidazione), ma non buone caratteristiche ad elevatissime temperature (e per questo le palette della turbina sono costruite in materiali differenti). La forma della paletta del compressore assiale è molto piatta rispetto quella della turbina, per problemi di distacco della vena fluida dalla superficie della paletta stessa (nel compressore aumenta la pressione durante l'avanzamento del flusso, al contrario della turbina). Il numero di stadi di compressione è elevato, intorno alla decina, in quanto, proprio per questo motivo, ogni stadio consente un rapporto di compressione modesto al confronto con la turbina.
La paletta della turbina invece, operando sull'espansione del gas, ha meno problemi fluidodinamici e ha una curvatura più accentuata e una sezione che varia molto dalla base alla sommità.
La base è molto più larga dell'estremità, a causa delle elevate sollecitazioni dovute all'alta densità del materiale di costruzione - solitamente superleghe Fe-Cr-Ni-Co come l'Inconel 600 oppure l'Hastelloy C275 ed all'elevata velocità angolare, che porta ad accelerazioni dell'ordine di 106 m/s2. Il migliore materiale oggi sul mercato è il CMSX10, una superlega single-crystal (SX) che arriva a lavorare a 1200 °C, presentando una limitata sensibilità alla fessurazione. Queste eccezionali prestazioni sono ottenute attraverso tecniche di solidificazione non convenzionali, appunto per ottenere la struttura monocristallina. La paletta rotorica è soggetta a fatica termomeccanica, poiché subisce cicli repentini di raffreddamento e riscaldamento, e al contempo è sollecitata meccanicamente dalla forza centrifuga e dalle vibrazioni che subisce, a causa del continuo passare dietro l' ombra degli statori che gli stanno a monte. Le palette più sollecitate termicamente sono quelle dei primi stadi (primo e secondo), su queste quindi si è riposta la maggiore attenzione dei progettisti, al fine di migliorare i rendimenti. Oltre all' utilizzo di materiali sempre più performanti, la tecnica più usata è quella del raffreddamento e del rivestimento ceramico.
Il raffreddamento può avvenire in due modi: interno e o per film cooling. Nel primo, aria spillata dal compressore viene immessa in palette cave, operando quindi un raffreddamento dall interno. Nel film cooling la palettatura presenta dei piccoli forellini, opportunamente orientati, attraverso i quali aria spillata da uno stadio di compressione (a pressione superiore a quella dello stadio di turbina che andrà a raffreddare), che passa nella paletta cava raffreddandola dall'interno, fuoriesce e segue una direzione che gli permette di essere aderente alla superficie della lama e di creare uno strato che faccia da isolante tra i gas incandescenti e la superficie della pala.
I rivestimenti, applicati soprattutto nei motori aeronautici, permettono di esporre il componente a temperature sempre maggiori, fino a 1500°C, sono composti da materiali ceramici (bianchi nei primi due stadi della turbina della foto sotto). Naturalmente il costo lievita con l'aumentare della tecnologia applicata.
Usi principali [modifica]
Vista lato compressore del turboreattore dell'EJ-200 Eurofighter
Le caratteristiche delle turbine a gas le rendono adatte alla produzione di grandi quantità di energia con ingombri assai limitati. Un utilizzo naturale è quindi quello della propulsione, soprattutto marina ed aerea, nelle quali non si hanno controindicazioni relativamente al maggiore svantaggio della turbina stessa, che è la grande portata di gas di scarico. Nella propulsione aerea, la turbina trova impiego nei turboreattori, dove fornisce energia unicamente al compressore (a volte anche a generatori ausiliari), e nei turboelica, i cosiddetti jet-prop, dove la maggior parte dell'energia della turbina è trasmessa all'elica, e una parte minore al compressore.
Un impiego importante, di sviluppo piuttosto recente, è nella generazione elettrica nelle cosiddette centrali a ciclo combinato, in cui la generazione è ottenuta sia da alternatori mossi da turbine a gas, sia da generatori mossi da turbine a vapore, a loro volta azionate da vapore generato in caldaie che sfruttano il calore residuo nei gas di scarico delle turbine. In questo caso, lo svantaggio energetico della turbina è ampiamente compensato dal recupero di energia che si ha nella caldaia, e si arriva a rendimenti globali attorno al 60 %.
Turbine a gas per produzione di energia elettrica [modifica]
Turbina a gas in fase di montaggio
La taglia delle turbine industriali va da impianti mobili trasportabili su camion a grandi macchine di elevata complessità, del peso di oltre 400 tonnellate. Le turbine di potenza delle macchine industriali più grandi operano a 3000 o 3600 giri/min, in accordo alla frequenza elettrica della rete, evitando così la necessità di un riduttore. Gli impianti di cui queste turbine sono il motore primo possono essere particolarmente efficienti – fino al 60% - quando il calore dei gas di scarico è recuperato da una caldaia che produce vapore, successivamente espanso in una turbina a vapore in un ciclo combinato. Le turbine a gas in ciclo semplice richiedono un costo di investimento minore rispetto a cicli combinati, centrali convenzionali a carbone o impianti nucleari e possono essere progettate per generare grandi o piccole potenze. Inoltre il tempo di costruzione può andare da poche settimane ad alcuni mesi, mentre gli altri tipi di impianto richiedono anni. Un altro vantaggio delle turbine a gas in ciclo semplice è la capacità di accensione e spegnimento in tempi dell’ordine dei minuti, consentendo quindi di far fronte a picchi di richiesta. Le grandi turbine a gas in ciclo semplice possono produrre una potenza di molte centinaia di megawatt e raggiungere un’efficienza termica del 40%.
Le micro turbine stanno raggiungendo una notevole diffusione nell’energia distribuita e nelle applicazioni di cogenerazione. La taglia va da unità che possono essere tenute in una mano e producono meno di un kilowatt a sistemi di taglia commerciale che producono decine o centinaia di kilowatt. Parte del loro successo è dovuto al progresso in campo elettronico, che consente esercizio e connessione alla rete elettrica anche in assenza di un operatore. La tecnologia dell’elettronica di potenza elimina la necessità di sincronizzare il generatore alla rete. Questo permette, per esempio, di progettare un generatore sullo stesso albero della turbina e di utilizzarlo anche come motore di lancio, invertendone la commutazione tramite dispositivi elettronici (inverter). I sistemi con micro turbine hanno molti vantaggi rispetto ai generatori azionati da motori alternativi, come l’alta densità di potenza (rispetto all’ingombro ed al peso), bassissime emissioni e poche, o una sola, parti in movimento. Le micro turbine progettate con cuscini ad aghi e raffreddamento ad aria operano senza olio, refrigeranti ed altri fluidi pericolosi. Per contro, i motori alternativi rispondono più velocemente alle variazioni di carico. Le micro turbine possono utilizzare la maggior parte dei combustibili commerciali, come il gas naturale, il propano, il gasolio ed il kerosene. Inoltre possono essere alimentate con biogas, come quello prodotto da terra di riporto o da impianti di trattamento acque di scarico. Le micro turbine consistono di solito in un compressore centrifugo ad una girante, una turbina centripeta a singolo stadio e da un rigeneratore. I rigeneratori sono difficili da progettare e costruire perché operano in presenza di alte pressioni e temperature. Il calore dei gas di scarico può essere usato per il riscaldamento dell’acqua, per processi di essiccamento o per refrigeranti ad assorbimento, che creano aria fredda per il condizionamento ambientale utilizzando calore anziché energia elettrica. Tipicamente l’efficienza di una micro turbina in ciclo semplice varia dal 25 al 35%. In un impianto di cogenerazione si possono raggiungere efficienze complessive superiori all’80%. Turbine di questo genere sono impiegate come motori dei compressori di sovralimentazione dei motori endotermici per uso automobilistico e marino.
Unità di potenza ausiliarie [modifica]
Le Unità di Potenza Ausiliarie (denominate APU - Auxiliary Power Units) sono piccole turbine a gas progettate come fonte di energia ausiliaria per macchine più grandi, solitamente aeroplani. Sono adatte a fornire aria compressa per la ventilazione della cabina (con un’opportuna progettazione del compressore), potenza per l’avviamento dei motori dell’aeroplano e potenza elettrica e idraulica. Esse non devono essere confuse con le Unità di Propulsione Ausiliarie, anch’esse abbreviate con l’acronimo APU nella dizione inglese, che sono invece motori elettrici ausiliari utilizzati su alcune fregate per manovre e in caso di emergenza, se i motori principali sono fuori uso.
Le turbine a gas nei veicoli [modifica]
Le turbine a gas sono utilizzate su navi, locomotive, elicotteri e carri armati. Sono anche stati effettuati diversi esperimenti con automobili motorizzate con turbine a gas.
Nel 1950, il progettista F. R. Bell ed il Responsabile d’Ingegneria Maurice Wilks della fabbrica automobilistica britannica Rover presentarono la prima automobile motorizzata con una turbina a gas. La biposto JET1 aveva il motore posizionato dietro i sedili, le griglie per le prese d’aria sui due lati e gli scarichi sulla parte alta della coda. Durante le prove, il veicolo raggiunse la velocità massima di 140 km/h, con un regime della turbina di 50.000 giri/min, collegata alle ruote tramite un riduttore. L’automobile poteva essere alimentata con benzina, paraffina o gasolio, ma i consumi si rivelarono insostenibili per un lancio sul mercato. Il veicolo è attualmente visibile al Museo delle Scienze di Londra. La Rover ed il Team di Formula 1 BRM unirono le forze per produrre un coupé motorizzato con turbina a gas, che partecipò nel 1963 alla 24 Ore di Le Mans, guidato da Graham Hill e Richie Ginther. Viaggiò ad una media di 173 km/h e toccò una velocità massima di 229 km/h.
Nel 1971 il Presidente e fondatore della Lotus, Colin Chapman, introdusse la Lotus 56B, motorizzata con una turbina a gas della Pratt & Whitney. Colin Chapman era noto per la sua capacità di costruire automobili vincenti, ma dovette abbandonare il progetto per via dei troppi problemi con il turbo lag – ritardo di risposta ai transitori, per cui il propulsore a turbina stenta ad accelerare o a rallentare. Il costruttore americano Chrysler sviluppò diversi prototipi di automobili motorizzate con turbine a gas tra gli anni ’50 ed i primi anni ’80. Nel 1993 la General Motors introdusse il primo veicolo ibrido commerciale motorizzato con turbina a gas con un limitato lancio sul mercato della EV-1. Una turbina Williams International da 40 kW era accoppiata con un alternatore che alimentava il sistema di potenza, costituito da un impianto elettrico a batterie. La turbina incorporava un rigeneratore.
La tecnologia con turbine a gas offre il vantaggio di un’alta potenza realizzata con un motore leggero e di ingombro limitato. Tuttavia la turbina a gas non ha le stesse caratteristiche di risposta e di efficienza dei motori alternativi su un ampio intervallo di regimi come quello richiesto nelle applicazioni su veicoli. Inoltre le turbine a gas storicamente sono state più costose da realizzare rispetto alle macchine alternative, benché questo sia da imputare anche al fatto che i motori alternativi sono stati prodotti in massa per decenni mentre le turbine a gas sono tuttora delle rarità. Vale anche la pena di notare che un vantaggio chiave dei turbopropulsori per aeroplani, cioè le loro prestazioni in quota nettamente superiori rispetto ai motori alternativi, specie se aspirati, è irrilevante nelle applicazioni terrestri. Anche il vantaggioso rapporto potenza/peso è di limitata importanza, e tra l’altro è inficiato dalla necessità di adottare un riduttore per trasmettere la potenza alle ruote. Per questo motivo, è nettamente più conveniente adottare le turbine a gas sui veicoli ibridi, dato che è possibile eliminare il riduttore. Ciò è possibile in virtù del fatto che la turbina è impiegata solo come generatore di potenza per azionare un alternatore, il quale a sua volta fornisce l’alimentazione al motore elettrico collegato alle ruote. La Capstone attualmente illustra sul proprio sito una versione di turbina progettata per l’installazione su veicoli ibridi.
La MTT Turbine Superbike fu presentata nell’anno 2000 (da questo deriva la denominazione Y2K) ed è la prima motocicletta motorizzata con un motore a turbina (un Rolls Royce – Allison 250 da 283 kW, molto diffuso come propulsore per elicotteri) ad essere lanciata sul mercato. Alla prova di velocità raggiunse i 365 km/h. Detiene il record del mondo come motocicletta più potente e costosa sul mercato, con un prezzo di 185.000 dollari.
Usi militari terrestri [modifica]
L’uso di turbine a gas su carri armati militari ha avuto più successo. Negli anni ’50 un carro armato pesante “Conqueror” fu equipaggiato in via sperimentale con una turbina Parsons da 650 CV. Le turbine a gas sono poi state usate come Unità di Potenza Ausiliarie in numerosi altri modelli di carro armato. Oggi il carro armato russo T-80 e quello statunitense M1 Abrams sono motorizzati con turbine a gas.
Un modello di locomotore a turbina a Gas della
Union Pacific Railroad. E' conservato all'Illinois Railway Museum.
Trazione ferroviaria [modifica]
Diversi modelli di locomotiva sono stati motorizzati con turbine a gas, senza peraltro che il sistema si affermasse. Negli anni '50 la compagnia ferroviaria statunitense Union Pacific Railroad mise in servizio la più grande flotta di macchine a turbina a gas. Gli elevati costi di gestione, e l'elevato inquinamneto acustico ne portarono all'accantonamneto all'inizio degli anni '70. In totale, entrarono in servizio 55 macchine di tre serie differenti. In generale per la trazione ferroviaria, le turbine agas si son rivelate poco adatte, a causa della poco versatilità d'impiego ai regimi non ottimali. I motori diesel si son sempre alla fine rivelati più sicuri, affidabili ed economici. Il modello più recente è la JetTrain della Bombardier.
Utilizzo navale [modifica]
Le turbine a gas sono molto diffuse tra le navi militari, soprattutto per ingombri e pesi ridotti, per la grande potenza, e l’ottimo rapporto peso/potenza, fattori che consentono rapide accelerazioni ed elevate velocità di punta. La prima nave propulsa da turbina a gas fu la motocannoniera MGB 2009, convertita nel 1947 ed appartenente alla Royal Navy britannica. Si trattava però di una nave di ridotte dimensioni: la prima nave militare di grandi dimensioni propulsa da turbine a gas fu la HMS Ashant, della classe Tribal (progetto Type 81), sempre della Royal Navy, che entrò in squadra nel 1961. Successivamente, nel 1972, la marina canadese commissionò quattro cacciatorpediniere della classe Iroquis, il cui apparato propulsivo era costituito interamente da turbine a gas: 2 Pratt & Whitney (P&W) FT4 costituivano i motori principali, altre due P&W FT12 quelli di crociera ed anche gli ausiliari elettrici erano azionati da 3 turbine Solar da 750 kW. Le prime navi statunitensi con turbine a gas furono invece i pattugliatori d’altura della classe Hamilton, inquadrate nei ranghi della USCG (guardia costiera statunitense) nel 1967. Seguirono poi le fregate della classe Perry, i cacciatorpediniere Spruance e Arleigh Burke, gli incrociatori Ticonderoga e la nave da assalto anfibio USS Makin Island. Anche la Marina Militare Italiana seguì l’esempio delle marine più evolute, ed adottò a partire dal 1975 le moderne e velocissime fregate della classe Lupo e Maestrale, propulse da turbine GE/FIAT Avio LM2500, propulsori in seguito adottati anche dalla portaerei leggera Giuseppe Garibaldi e dalla V/STOL Cavour.
Turbine a gas per amatori [modifica]
Un hobby diffuso è la costruzione di una turbina a gas a partire da un turbocompressore per motore d’automobile. La camera di combustione può essere costruita e posizionata tra compressore e turbina. Esistono numerose piccole ditte che producono piccole turbine e parti per amatori.
Progressi della tecnologia [modifica]
La tecnologia delle turbine a gas ha costantemente progredito nel tempo e continua ad evolversi. La ricerca è attiva nella produzione di turbine a gas ancora più piccole. La progettazione computerizzata, in particolare la fluidodinamica computazionale (CFD) e l’analisi agli elementi finiti, al pari di progressi nella tecnologia dei materiali, hanno permesso rapporti di compressione e temperature sempre più elevati, combustione più efficiente, miglior raffreddamento dei componenti e limitate emissioni inquinanti. In aggiunta, cuscinetti ad aghi adatti alle turbine a gas sono stati introdotti in commercio a partire dagli anni ’90. Questi cuscinetti possono resistere a più di 100.000 cicli di avviamento e fermata ed hanno eliminato la necessità del sistema di lubrificazione. Su un altro fronte, la microelettronica e l’elettronica di potenza hanno permesso il lancio commerciale di micro turbine per l’energia distribuita e la propulsione di veicoli terrestri. Un eccellente esempio è costituito dalla linea di micro turbine della Capstone, che non richiedono il circuito di lubrificazione e possono marciare per mesi senza la supervisione di un operatore.
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