高速切削加工刀具技术研究（三）

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 由美国肯纳公司研究开发的KM(Kennametal)模块系统——两面夹刀具系统，其结构如图2所示。它采用了三点定位方式，既可用于车床又可用于车削中心和加工中心。由于它结构独特，具有高速、高刚性、高精度的优点，正在被越来越多的机床厂家所采用。与HSK刀柄相比，KM刀柄与主轴锥孔间的过盈量高约2～5倍，如KM6350(相当于BT40)的过盈量为10～25µm，其实际应用中，KM6350和KM4032的转速分别达到36,000r/min和50,000r/min。HSK和KM两系统的刚度比较如图3。

    

    图3

    BIG-PLUS刀具系统采用7：24锥度，其结构设计可保证刀柄主轴与主轴端面的间隙约0.2左右，锁紧时可利用主轴内孔的弹性膨胀对该间隙进行补偿，以确保刀柄与主轴端面贴紧。

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    两面约束夹持系统弥补了传统工具系统的许多不足，代表了刀具一机床接口技术的主流方向，必将得到越来越广泛的应用。目前，国外已研发了多种结构形式的两面约束夹持系统，由于该系统具有重复定位精度高、动静刚度高等一系列优点，可满足高速加工的要求。

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    ·刀具一刀柄接口技术

    刀柄对刀具的夹持力的大小和夹持精度的高低，在高速切削中具有十分重要的位置。如果刀柄对刀具夹持不牢固，轻则降低加工精度，重则导致刀具及工件损坏，甚至引发安全事故。

    提高刀具系统夹持精度，就必须设法使刀具得到精密可靠定位，确保足够夹持力，就必须严格控制和提高刀具系统配合精度、加大夹持长度、优化结构设计及合理选材。目前，适宜高速切削加工的刀具夹头主要有以下几种：

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    *热缩夹头利用刀柄装刀孔热胀冷缩使刀具可靠夹紧。它是一种无夹紧元件的夹头，结构简单对称、夹紧力大。 * N/ J9 V- f0 F4 q# g+ o

    *高精度弹簧夹头由日本大昭和精机株式会社生产的高精度弹簧夹头，采用锥角12°锥套，所有夹头都经平衡修整，以适应高速加工的要求。目前，这种夹头的转速可达30,000～40,000r/min。

    *高精度液压夹头BlG-PLUS刀具系统的高精度液压夹头采用两点夹持的一体型构造，具有很高的夹持力和夹持精度，且减小了夹头质量。

    *高精度静压膨胀式夹头由德国雄克公司生产的高精度静压膨胀式夹头，通过拧紧加压螺栓提高油腔内的油压，使油腔内壁均匀对称的向轴线方向膨胀，以夹紧刀具。该夹头夹持精度极高，其径向跳动小于3µm。

    *三棱变形夹头该夹头利用夹头本身的变形力夹紧刀具，其自由状态为三棱形，装夹刀具时，利用液力作用使夹头内孔变为圆形，撤消外力后，内孔重新收缩为三棱形，以实现对刀具三点夹紧。该夹头具有结构紧凑、定位精度高(可达3µm以下)且对称、刀具装夹简单等恃点。

    *新颖结构夹头由Sandvik公司新推出的CoroGrip夹头，借助液压装置推动锥套，在3D处测量，其径向跳动可达2～6µm，这种夹头夹紧更为可靠，其刚性高于液压夹头，装夹时间短于热缩夹头。ISCAR公司推出的圆柱柄新型装夹方式，不仅保证端面接触，而且能在半个圆周面上形成夹紧力，提高了夹持刚性。

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    3)刀具平衡技术

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    高速加工对刀具的动平衡技术提出了很高的要求。一般情况下，铣刀刀柄—弹簧夹头可通过平衡修整来达到动平衡。如日本NT公司推出的高平衡等级热缩夹头(SK3、SK4～6)的适用转速可达70,000r/min,SR10～20可达50,000r/min。对于带微调机构的精镗头，为了平衡调节加工直径时重心的改变，日本大昭和精机株式会社推出了一种可进行自动平衡补偿的镗头—EWB，用于加工孔径为Ø32～105和Ø2～Ø42的高速精镗头EWB32～105和EWB2～50，其极限切削速度可达20，000r/min。

    4刀具设计技术

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    高速切削刀具设计技术包括刀具几何参数的优化选择、刀休安全结构设计、刀片夹紧机构设计等技术。

    高速切削刀具损坏的主要特征是：刀具刀尖热磨损和刀具切削刃边界的缺口破损。因此，用于高速加工刀具的前角应比普通刀具小(g≤0°)，后角应比普通刀具大(5°～8°)，主、副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖，以提高刀具刚性和减小切削刀具破损的概率。

    刀具结构设计应根据被加工材料和工序优化组合刀具材料、涂层和槽型功能，开发具有最佳切削效果的刀片结构。如ISCAR公司和日本三菱公司推出的多功能刀片，具有空间切削刃和曲面前刀面，切削力小，刃口强度高，高速加工时抗磨损能力强，可谓高速加工切削刀具刃型结构的代表。

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    此外，刀具夹紧结构亦应适应高速加工要求，比如采用新型刀片夹紧结构以防刀片飞出，刀体小质量轻型化设计、标明最高极限转速及刀片夹紧力矩等。

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    5结语

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    高速切削加工已成为机械制造的主流发展方向，因此，适宜高速切削加工的刀具系统技术的研究具有十分重要的意义。随着先进制造技术及材料技术和纳米技术的发展，新的多元、复合、纳米级的硬质涂层及CVD金刚石薄膜等功能材料、超硬刀具材料、陶瓷刀具、涂层刀具等将得到广泛应用，高速切削刀具系统将日趋完善，成为推动高速切削加工的重要组成部分。