高速切削加工刀具技术的研究及应用(中)

HEATS

　　3基于高速切削加工的刀具技术

8 ?5 A# b0 I' O9 x / ~5 @5 T% I# j2 u- Q9 g1 B

　　刀具材料技术

* ]/ s' h( O* t+ f5 X

　　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。

; Z# `# @0 o" J

　　刀其系统接口技术

; Z" _. l" K$ r+ j6 y# u7 v

　　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。

1 O3 R3 k. ~7 X$ s3 Z

　　刀具—机床接口技术

　　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。

3 }: U7 @$ {5 Q& }2 A2 T- ]

　　1.刀柄2.拉杆3.主轴4.弹簧套

　　图1

- a$ d2 C. u7 h p F9 ]0 F

　　1.刀柄2.拉杆3.锁紧钢球4.锁闭杆

　　图2

" [8 v+ B6 X0 f( W $ k0 l" s3 G5 u) R

　　图3

! F7 ^- `; Q; x( H; @5 ], v, E 

　　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3～10µm。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。

% `* I& _; z8 n8 @) b: I

　　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。

8 V' _) O4 g, K$ Z. h6 U

　　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。

: e) B2 x8 z6 U 4 |0 [# S0 s3 `2 s( |# ]

　　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。

5 Q+ R3 ?. a+ `4 u8 o5 a* k