高速切削自滚切刀具

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在高速切削技术的发展过程中，高速切削机床、高速刀具系统和高速切削工艺是其中三项主要技术，而刀具技术起到了非常关键的作用。随着切削速度的大幅提高，对切削刀具材料、刀具几何参数、刀体结构以及切削工艺参数等都提出了不同于传统切削速度下的更高要求。由于高速切削时产生的切削热和对刀具的磨损比普通速度时高得多，所以高速切削技术发展的一个重要障碍就是刀具材料的耐高温和耐磨损问题。对刀具材料的要求主要包括以下几方面：①高硬度、高强度和耐磨损；②韧性好，抗冲击能力强；③高的热硬性和化学稳定性；④抗热冲击能力强等。
 
 尽管目前的刀具材料已由早期的高速钢、硬质合金发展到陶瓷、立方氮化硼（CBN）和金刚石，并且开发和应用了刀具涂层技术和烧结层压技术，但同时满足上述要求还是很困难的，而且CBN、金刚石等刀具的价格也很高。可见一味地追求刀具材料的发展与进步，不是最优的选择。自滚切刀具从刀具结构入手，巧妙地使刀具增加了一个运动单元，改善了刀具的工作状态，极大地提高了刀具材料的耐高温、抗磨损能力。
 
 1．自滚切刀具的基本原理
 
 自滚切刀具采用圆形刀片，在切削过程中靠工件和刀具间的相对运动驱使刀片绕自身轴线不停地旋转。以车削加工为例，刀片的安装方式一种是以圆刀片的端面作前刀面，周面作后刀面，称为Ⅰ型自滚切刀具（前者刃倾角为正，后者刃倾角为负）；另一种是以圆刀片的周面作前刀面，端面作后刀面，称为Ⅱ型自滚切刀具。
 
 由于自滚切刀具的刀片增加了一个切削运动单元，它不仅具有斜角切削的特点，而且后刀面的棱带对工件表面还有滚压作用，所以自滚切刀具的切削特点就是“滚”与“切”相结合。它的很多切削概念都不同于普通刀具，必须加以修正。
 
 2．自滚切刀具的两个重要概念
 
 （1）刃倾角
 
 自滚切刀具的刃倾角是决定切削性能的重要参数，也是使切削运动增加一个运动单元的先决条件。刃倾角对工作前、后角、流屑角，甚至对切削速度都有直接的影响。
 
 Ⅰ型刀具的轴线在XZ平面内的倾斜使刀片产生了角度λ，我们称其为安装刃倾角。若将圆弧刀刃上主偏角为零的点命名为刀尖，则安装刃倾角λ即为刀尖点的刃倾角。对Ⅱ型刀具而言，虽然安装刃倾角和刀尖都很不直观，但经简要的推导也可得到。
 
 事实上上述对刃倾角的理解仅仅是停留在几何意义上，并不全面。由于刃倾角既是刀刃切线与基面间的几何参数，更是影响工件沿刀刃切向、法向相对速度的“运动参数”。对滚切刀具而言，当切削过程不稳定或刀片回转的阻力发生变化时，甚至当刀片的旋转是靠外加动力驱使时（此为驱动式滚切刀具），刀片的旋转均不同于理想状态下单纯受工件驱使的情况，切削刃上各点的真实刃倾角都会有变化。因此，一些学者还提出了工作刃倾角、等效刃倾角等概念，本文在此就不展开论述。
 
 （2）切削速度
 
 自滚切刀具切削速度的概念与普通刀具不同。以Ⅰ型刀具车削加工为例，V（工件表面线速度）称为名义切削速度，它是与普通刀具对比以及计算机床转速的重要参数；Vr称为相对切削速度，是将滚切刀具等效为普通刀具的切削速度分量，是自滚切刀具后刀面上的摩擦速度。当不考虑刀片回转的摩擦阻力时，可得Vr＝Vcosλ。上述Vr实际只是刀尖处的相对切削速度。
 
 有些学者还提出了有效切削速度的概念，认为刀具转速Vt和相对转速Vr都是由名义切削速度V产生的，因此应将V分为两部分，一部分用于产生Vt，即Vt在V上的投影；一部分用于产生Vr，即Vr在V上的投影，称为有效切削速度Ve。
 
 进给速度对刀片的转速Vt也是有影响的，这在许多文献中均有论述。
 
 以上对自滚切刀具的两个重要概念作了粗浅介绍，可见还有分歧和不同见解。本文旨在抛砖引玉，以期深入的理论研究，加深对自滚切刀具的认识并指导实践。
 
 3．对自滚切刀具的整体评价
 
 理论与试验研究都表明，自滚切刀具具有下列优点：
 
 （1）刀具耐用度高，适于高速切削。文献表明，采用高速钢刀片的Ⅰ型自滚切车刀，可以150m/min的名义速度正常切削50钢，而这对于普通刀具是根本不可能的；采用Ⅰ型自滚切端铣刀铣削LY12的试验中，名义速度均在1000m/min左右。文献表明，采用CBN刀片的Ⅰ型自滚切车刀，以190m/min的名义切削速度加工淬火状态的55钢，60分钟后刀具后刀面的磨损也只有0.01mm。
 
 （2）加工质量好。用自滚切刀具加工HT200、淬火钢、硅铝合金的表面粗糙度均低于普通刀具加工的表面粗糙度。例如用Ⅰ型自滚切端铣刀加工硅铝合金，刀具材料W18Cr4V，名义速度V=1178.1m/min，切深αp=0.1～0.2mm，每齿进给量αf=0.05mm/z，表面粗糙度达到Ra0.1～0.2μm。
 
 （3）生产率高、经济效益好。试验研究均表明，自滚切刀具可用普通的刀具材料（高速钢、硬质合金等）按照更高的切削速度、更大的进给量达到同样的加工质量。
 
 自滚切刀具也存在着一些明显的缺点和不足，主要有：
 
 （1）结构复杂，对制造精度要求较高，尤其是刀具转动部分。若制造误差大或调整不当，则易引起振动，破坏表面质量。
 （2）刀刃—工件接触弧较长，径向力大，因此对工艺系统刚性有较高要求，或只能采用较小的切削深度。
 （3）不适于加工表面有台阶的零件。
 
 4．结论
 
 （1）自滚切刀具通过给刀片增加一个运动单元，改变了刀具切削时的受力、受热状态，从而用普通刀具材料即可进行高速切削；
 （2）自滚切刀具的很多切削概念已不同于普通刀具，须进行修正以完善理论，并指导自滚切刀具的合理使用；
 （3）自滚切刀具虽有很多优点，但也存在着不足，使用时应扬长避短。