高速切削加工刀具技术研究

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代表现代机械加工主流方向的高速切削加工，因顺应了21 世纪机械加下高效率、高精度、柔性与绿色化的要求而得到了迅猛发展。高速加工的最大特点是在极大满足高效生产的同时，也大大提高了被加工零件的加工精度和表面质量。运用高速加工的“一次过”技术，可将传统的粗精加工一次加工完成，既可获得高质量的加工表面，又省去了传统的若干工序，使加工效率得以极大提高。随着电主轴在机床中的普遍应用，制约机床切削速度不断提高的因素已不仅仅是机床主轴本身，适宜高速切削加工要求的刀具系统与技术的研究已成为影响高速加工不断发展的重要因素。因此，深入研究高速加工对刀具系统提出的新要求，开发适宜高速加下要求的刀具系统具有十分重要的意义。本文针对传统刀具在高速加工中存在的弊端，在认真分析高速加工对刀具系统要求的基础上，论述了适宜高速加工要求的刀具系统的技术方法。

1 高速切削加工对刀其系统的要求

高速切削加工不仅仅是主轴转速的提高，而是指整体加工时间的缩短。因此，高速切削加工不仅要求切削刀具具有很高的刚性、安全性、柔性、动平衡特性和操作方便性，而且对刀具系统与机床接口的连接刚度、精度以及刀柄对刀具的夹持力与夹持精度等都提出了很高的要求。 : O3 r5 o7 U% t' ^$ t4 @

所谓刀具系统即由装夹刀柄与切削刀具所组成的完整刀具体系。装夹刀柄与机床接口相配，切削刀具直接加工被加工零件，两者极为重要。高速切削加工刀具系统必须满足以下要求： 8 \3 p$ D0 R) V) d/ b9 Q

1. 刀具结构的高度安全性 作为应用于高速切削加工的刀具系统，其结构必须具有高度安全性，以防止刀具高速回转时刀片飞出，并保证旋转刀片在2倍于最高转速时不破裂。 " d4 g- U- a# s# c+ {- M& @
2. 刀具系统优异的动平衡性 用于高速加工的刀具系统的动平衡性能是至关重要的。由理论力学知识可知，离心力F=mrw²，当刀具系统动平衡性能较差时，高速旋转的刀具会产生很大的离心力，从而引起刀杆弯曲并产生震动，其结果将使被加工零件质量降低，甚至导致刀具损坏。 3 R, v& u6 P( A8 G/ k* s/ H. D
3. 高的系统刚性 刀具系统的静、动刚性是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚性不足将导致刀具系统振动或倾斜，使加工精度和加工效率降低。同时，系统振动又会使刀具磨损加剧，降低刀具和机床使用寿命。
4. 高的系统精度 系统精度包括系统定位夹持精度与刀具重复定位精度以及良好的精度保持性。具备以上精度要求的刀具系统，才能保证高速加工整个系统的静态和动态稳定性，从而满足高速、高精加工工件的要求。
5. 高的互换性 对模块式刀具系统而言，需要刀具系统具有更高的灵活性，以便通过调整或组装，迅速适应不同零件的加工需要。此外，刀具与机床的接口应采用相同的刀柄系统，以减少不必要的库存。
6. 高效性 刀具系统必须具备高质量、高使用寿命的刀具，以满足高速高效加工工件的要求。
7. 高适应性 刀具系统应具有加工多种硬度材质的能力，以满足高速加工各种工件的要求。

2 传统刀具系统存在的问题

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1. 刀具定位精度和重复定位精度低 高速加工时，由于离心力的作用，主轴锥孔与刀具锥柄均发生径向扩张。当锥柄扩张量小于主轴锥孔扩张量时，出现配合间隙。于是，在拉紧螺钉拉紧力的作用下，锥柄带动刀具轴向位移，导致刀具在高速加下时轴向定位精度降低。
   同时．刀柄与主轴锥孔只靠锥面配合连接，轴向刚度较低，导致刀具重复定位精度较低。
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2. 刀具动态与静态刚度低刀具高速旋转时，在离心力作用下，主轴锥孔轴向扩张量的差异，使得本来由锥面结合的低刚性连接的刚度进一步降低。 7 M+ R& ?) T1 S1 `
3. 刀柄锥部较长，不利于快速换刀和机床主轴的小型化。

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由于以上原因，传统刀具系统已不能满足高速切削加工的需要，必须研究开发适宜高速切削加工的刀具系统。

3 基于高速切削加工的刀具技术

1. 刀具材料技术
   高速切削加工对材料的主要要求是：良好的高温化学性能、热物理性能、化学稳定性、抗涂层破裂性、抗粘接性和抗热振性。高速切削加工刀具材料必须按被加工工件材质和加工特性进行选择，并配以合理的切削条件，才能发挥优异的切削性能。对于钢、铸铁等黑色金属，宜选用陶瓷、金属陶瓷及立方氮化硼刀具，对于铝、镁等有色金属，宜选用PCD 和CVD等刀具材料。目前，在美国航天航空工业中，铣削铝合金的切削速度已达7,500m/min、，其切削速度主要受限于机床主轴转速。对于钢、铸铁等黑色金属，高速切削中达到的切削速度为加工铝合金的1/3～1/5 ，约为1,000～1,200m/min ，其速度主要受限于刀具材料的耐热性，而未来高速切削的目标是：铣削铝合金的切削速度为10,000m/min 。铸铁为5,000m/min ，普通钢材为2,500m/min ，而钻削铝合金、铸铁、普通钢的速度为30,000m/in 、20,000m/min和10,000m/min , 在未来高速和超高速加工中，超硬刀具材料(如PCD 、PCBN )、陶瓷刀具、涂层刀具、TiC(N)基硬质合金刀具等刀具材料将发挥重要作用。
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2. 刀其系统接口技术 5 N0 ?6 \. \1 n$ e0 \; ~9 M
   刀具系统接口技术包括刀具—机床接口技术与刀具—刀柄接口技术。

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   1. 刀具—机床接口技术 ; O4 c9 T* f$ `% ^0 O
      为了克服传统刀柄仅仅依靠锥面定位导致的不利影响，一些科研机构和刀具制造商研究开发了一种能使刀柄在主轴内孔锥面和端面同时定位的新型连接方式—两面约束过定位夹持系统。该系统具有很高的接触刚度和重复定位精度，夹紧可靠。目前，该系统主要有短锥柄和7:24长锥柄两种形式。虽然7:24锥柄具有与传统BT刀柄可以互换，并可方便安装于主轴锥孔锥度为7:24的机床上，可提高刀柄与主轴的连接刚度和精度等优点，但从切削速度日趋提高的高速加工的发展趋势来看，锥度为1:10的短锥柄的刀柄结构的发展前景更为广阔。目前，短锥柄的两面约束刀柄主要有HSK、KM、NT、BIG-PLUS等几种。
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      1.刀柄 2.拉杆 3.主轴 4.弹簧套 图1

      1.刀柄 2.拉杆 3.锁紧钢球 4.锁闭杆 图2

      图3

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      HSK刀柄的锥柄部分采用锥度为1:10 的中空短锥柄，其结构如图1所示。当刀柄与主轴连接时，依靠短锥刀柄在主轴锥孔内定心。当短锥刀柄与主轴锥孔紧密接触时．在端面间尚有0.1左右的间隙，在拉紧力作用下，利用中空刀柄的弹性变形补偿该间隙，以实现与主轴锥面和端面双面约束定位。此时，短刀柄与主轴锥孔间的过盈量约3～10 µm。由于中空刀柄具有较大的弹性变形，因此对刀柄的制造精度要求相对较低。此外，由于HSK刀具系统柄部短、质量小，有利于机床自动换刀和机床小型化。但其中空短锥柄结构亦会使系统刚度与强度受到影响。HSK刀柄有A、B、C、D、E等多种形式，其中HSK40A 、HSK40E 、HSK63E的极限转速可达到4,200r/min 、5,5000r/min 、3,2500r/min 。 6 T3 M7 n7 Z. E% t
      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。 " B4 d; j5 ^2 \' Q& ?
      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。 ; i) U# f4 t: U$ k
      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。
   2. 刀具一刀柄接口技术 / c4 ?4 O5 f7 p/ L" j8 B2 R9 N# ^8 F
      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： . A) ^/ L4 r7 y' G" n$ x. N

      1. 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。 8 o, \! k6 Q- R5 U" y a) I
      2. 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。 5 W$ i+ O+ J! r) f/ W7 T
      3. 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。 % v: [9 n, \4 L+ v5 X _% d
      4. 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。 1 u4 P/ j d" O7 K! w c1 t
      5. 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。 4 J! F) @. V) c! y
      6. 新颖结构夹头 由Sandvik 公司新推出的Coro Grip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。
3. 刀具平衡技术
   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

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。 " [6 C$ c( m! z( R- \- f; `9 Q& Q. D

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。 $ A# n( `5 G1 P8 j( k/ c

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。

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。 ' Y3 L5 @1 s Z& q

5 结语

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。

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