1 引言

3 高速切削刀具技術(shù)現(xiàn)狀

1. 高速切削刀具系統(tǒng)的動平衡技術(shù)
   
   刀具系統(tǒng)(刀刃—刀柄—刀盤—夾緊裝置)不平衡會縮短刀具壽命，增加停機(jī)時間，并會增大加工表面粗糙度，降低工件加工尺寸精度和主軸軸承使用壽命。高速切削刀具系統(tǒng)的平衡更為重要。一般來說，對于小型刀具，平衡修正量只有百分之幾克；對于緊密型刀具，采用靜平衡即可；對于懸伸長度較大的刀具則必須進(jìn)行動平衡。
   
   引起高速切削刀具系統(tǒng)不平衡的主要因素有：刀具的平衡極限和殘余不平衡度，刀具結(jié)構(gòu)不平衡，刀柄不對稱，刀具及夾頭的安裝(如單刃鏜刀)不對稱等。設(shè)刀具在距離旋轉(zhuǎn)中心e(mm)處存在等效的不平衡質(zhì)量m(g)，則刀具不平衡量U(g·mm)可定義為刀具不平衡質(zhì)量與其偏心距的乘積，即U=m×e。設(shè)G為反映刀具平衡量與旋轉(zhuǎn)速度n(r/min)之間關(guān)系的參數(shù)，則
   
   
   
   
   

   G=w×e= pn × U = pUn 30 m 30m

   (1)

   式中：w― 角速度
   
   產(chǎn)生的慣性離心力兀(N )為
   
   
   
   
   

   Fe=me( pn )2×10-6=U( pn2 )×10-6 30 30

   (2)

   
   
   
   
   
   
   
   
   

   圖1 慣性離心力與主軸轉(zhuǎn)速和刀具不平衡量的關(guān)系	圖3 高速切削旋轉(zhuǎn)刀具和刀柄系統(tǒng)平衡要求
   圖2 內(nèi)裝動平衡機(jī)構(gòu)的鏜刀

   
   
   圖1為因刀具不平衡引起的離心力與主軸轉(zhuǎn)速和刀具不平衡量的關(guān)系。離心力會使主軸軸承受到方向不斷變化的徑向力作用而加速磨損并引起機(jī)床振動，甚至可能造成事故。由圖1可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高時，慣性離心力將以平方倍數(shù)增大。因此，高速切削刀具(主要是旋轉(zhuǎn)刀具)使用前除進(jìn)行靜平衡外還必須進(jìn)行動平衡，應(yīng)根據(jù)其使用速度范圍進(jìn)行平衡，以實(shí)現(xiàn)最佳加工效益。對高速切削刀具進(jìn)行平衡時，首先需對刀具、夾頭、主軸等各個元件單獨(dú)進(jìn)行平衡，然后對刀具與夾頭組合體進(jìn)行平衡，最后將刀具連同主軸一起進(jìn)行平衡。推薦采用微調(diào)螺釘進(jìn)行精細(xì)平衡，或直接采用內(nèi)裝動平衡機(jī)構(gòu)的鏜刀(見圖2)通過轉(zhuǎn)動補(bǔ)償環(huán)移動內(nèi)部配重以補(bǔ)償?shù)毒卟黄胶饬�。目前國�?nèi)外尚無統(tǒng)一的刀具平衡標(biāo)準(zhǔn)，對采用ISO 1940-1標(biāo)準(zhǔn)中的G值作為平衡標(biāo)準(zhǔn)也有不同看法。國外一些企業(yè)以G1(即刀具以1000Or/min的轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)時，回轉(zhuǎn)軸與刀具中心軸線的偏心距為1µm)作為平衡標(biāo)準(zhǔn)；有的企業(yè)對轉(zhuǎn)速6000r/min以上的高速切削刀具以G2.5作為平衡標(biāo)準(zhǔn)。高速切削旋轉(zhuǎn)刀具和刀柄系統(tǒng)的平衡要求可參照圖3所示的G1或G2.5標(biāo)準(zhǔn)。
   
   
2. 高速切削旋轉(zhuǎn)刀具的刀柄系統(tǒng)
   
   高速切削時，為使刀具保持足夠的夾持力，以避免離心力造成刀具損壞，對刀具裝夾裝置也提出了相應(yīng)的要求。加工中心等NC 機(jī)床多年來一直采用7:24 實(shí)心錐柄工具系統(tǒng)，這種實(shí)心錐柄具有以下缺點(diǎn)：① 由于只靠錐面結(jié)合，刀柄與主軸的聯(lián)接剛性較低，尤其當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過10000r/min 時，聯(lián)接剛性的不足更為明顯；② 當(dāng)采用ATC( Automatic Tool Changing，自動換刀)方式安裝刀具時，重復(fù)定位精度較低，難以實(shí)現(xiàn)高精度加工；③ 當(dāng)主軸高速回轉(zhuǎn)時，主軸前端在離心力作用下會發(fā)生膨脹，易導(dǎo)致主軸與刀柄錐面脫離，使徑向跳動急劇增大(可達(dá)15µm ) , 從而降低刀柄接觸剛度，且易發(fā)生安全事故。因此，傳統(tǒng)的長錐刀柄不適宜用于高速切削加工。為解決這一問題，開發(fā)了采用錐部和主軸端面同時定位的雙定位式刀柄(如德國的HSK空心刀柄、美國KM系列刀柄等)。此類刀柄通過錐部定心，并使機(jī)床主軸端面緊貼刀柄凸緣端面。這種刀柄安裝時重復(fù)定位精度較高(軸向重復(fù)定位精度可達(dá)0.001mm) ，在高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力作用下，刀柄會牢固鎖緊，其徑向跳動不超過5µm ，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可保持較高的靜態(tài)和動態(tài)剛性。因此，此類刀柄特別適合高速切削加工。表4 列出了HSK和KM刀柄的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
   
   
   
   
   

   表4 HSK 和KM刀柄的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 刀柄類型 HSK KM 結(jié)合部位 錐面+端面 錐度+端面 夾緊力傳遞方式 簡夾 鋼球 刀具 HSK-63B KM6350 基徑 Ø38mm Ø40mm 柄部形式 空心柄 空心柄 牽引力 3.5kN 11.2kN 夾緊力 10.5kN 33.5kN 過盈量(理論值) 3～10µm 10～25µm 錐度 1/10 1/10

   圖4 HSK 刀柄的結(jié)構(gòu)類型

   
   
   HSK 整體式刀柄采用平衡式設(shè)計，其刀柄結(jié)構(gòu)形式有A、B、C、D、E、F型(見圖4)。實(shí)際應(yīng)用時，HSK5O 、HSK63 刀柄適用的主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)25000r/min , HSK100 刀柄適用的主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)12000r/min 。
   
   
3. 高速切削刀具的安全性
   
   切削刀具安全性涉及的主要對象是高速旋轉(zhuǎn)的銑刀和鏜刀，尤其是高速銑刀，因為高速銑削是目前高速切削應(yīng)用的主要工藝。加工實(shí)踐表明，普通銑刀的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度不能適應(yīng)高速切削的要求，因此高速銑刀安全性的研究更具有緊迫性和現(xiàn)實(shí)性。德國在20世紀(jì)90年代初開始對高速銑刀安全技術(shù)進(jìn)行研究，并取得了一系列實(shí)用性成果，制定了DIN6589-1《 高速銑刀的安全要求》 標(biāo)準(zhǔn)草案，其中規(guī)定了高速銑刀失效的試驗方法和準(zhǔn)則，該標(biāo)準(zhǔn)已成為高速銑刀安全性的指導(dǎo)性文件。高速切削用可轉(zhuǎn)位銑刀的安全性除了刀體強(qiáng)度要求外，還包括對零件、刀片夾緊等的可靠性要求。高速切削時，離心力是造成銑刀破損的主要因素，防止離心力造成破壞的關(guān)鍵在于刀體應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。為了能在設(shè)計階段對刀具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在離心力作用下的受力和變形情況進(jìn)行定性和定量分析，目前一般利用高速銑刀的有限元(FEM)模型來計算不同轉(zhuǎn)速下應(yīng)力的大小，模擬刀具失效過程，改進(jìn)設(shè)計方案。在實(shí)際應(yīng)用中，將模擬設(shè)計計算與離心力實(shí)驗相結(jié)合，根據(jù)實(shí)驗獲得的刀具變形、刀片位移等數(shù)據(jù)建立FEM模型的邊界條件。根據(jù)計算和實(shí)驗，可轉(zhuǎn)位銑刀在超高速切削中主要有兩種失效形式：一種是夾緊刀片的螺釘被剪斷，刀片或其它夾緊元件被甩飛；另一種是刀體爆碎。在多數(shù)情況下，首先出現(xiàn)前一種失效，即在較低轉(zhuǎn)速時出現(xiàn)零件甩飛現(xiàn)象；隨著轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，達(dá)到刀體強(qiáng)度臨界值時即出現(xiàn)后一種失效。圖5所示為模擬計算顯示的兩種失效過程與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。在靜止?fàn)顟B(tài)下，刀片的夾緊力對刀體產(chǎn)生一個向心變形，隨著轉(zhuǎn)速增加，刀體發(fā)生彈性膨脹，刀片隨刀體一起向外膨脹；同時刀片的離心力克服螺釘夾緊力，使向心夾緊力和變形量逐漸減小，直至完全脫離刀座的徑向支撐，此時夾緊已完全失效，即達(dá)到圖5所示曲線上的拐點(diǎn)，通過拐點(diǎn)后刀片開始迅速外移直至甩飛。
   
   
   
   
   

   圖5 失效過程與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

   
   
4. 高速可轉(zhuǎn)位面銑刀的結(jié)構(gòu)
   
   根據(jù)銑刀安全性要求，用于高速切削(n＞600Or/min)的可轉(zhuǎn)位面銑刀通常不允許采用摩擦力夾緊方式，而必須采用帶中心孔的刀片，用螺釘夾緊。與安全性有關(guān)的刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)包括刀片中心孔相對螺釘孔的偏心量、刀片中心孔和螺釘?shù)男螤畹龋�這些參數(shù)決定了螺釘在靜止?fàn)顟B(tài)下夾緊刀片時所受預(yù)應(yīng)力的大小。如預(yù)應(yīng)力過大，有可能使螺釘發(fā)生變形，降低夾緊系統(tǒng)失效轉(zhuǎn)速。刀具夾緊方式也可采用帶卡位的空刀槽，以保證刀具的精確定位和高速旋轉(zhuǎn)時的可靠聯(lián)接。另外，刀片、刀座夾緊力方向最好與離心力方向一致。夾緊刀片時應(yīng)施加規(guī)定的扭矩，并使用合格的夾緊螺釘，螺釘擰入前應(yīng)涂敷潤滑劑，以減少夾緊扭矩的損失，此外，螺釘必須定期檢查和更換。
   
   從安全性考慮，刀體的設(shè)計應(yīng)減輕質(zhì)量，減小直徑，增加高度，選用比重輕、強(qiáng)度高的材料，目前，有的高速銑刀已采用高強(qiáng)度鋁合金制造刀體。刀體上的槽(刀片槽、容屑槽、鍵槽等)會引起應(yīng)力集中，降低刀體強(qiáng)度，因此銑刀結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免采用貫通式刀槽，減少尖角，防止應(yīng)力集中。同時，還應(yīng)減少機(jī)夾零件的數(shù)量；刀體結(jié)構(gòu)應(yīng)對稱于回轉(zhuǎn)軸，使其重心通過銑刀軸線；對于不等分齒銑刀，應(yīng)對刀體的質(zhì)量分布作相應(yīng)調(diào)整，使刀體膨脹比較均勻；刀片和刀座的夾緊、調(diào)整機(jī)構(gòu)應(yīng)盡可能消除游隙，且應(yīng)保證良好的重復(fù)定位性 。圖6、7、8分別為采用不同刀片夾緊結(jié)構(gòu)的高速面銑刀及允許最大轉(zhuǎn)速。
   
   
   
   
   
   
   

   圖6 刀片不帶孔面銑刀

   圖7 刀片帶孔面銑刀

   圖8 不同結(jié)構(gòu)面銑刀的允許最大轉(zhuǎn)速

   
   
5. 高速切削刀具監(jiān)測技術(shù)
   
   刀具監(jiān)測技術(shù)對于高速切削加工的安全性十分重要。刀具監(jiān)測技術(shù)主要包括通過監(jiān)測切削力以控制刀具磨損；通過監(jiān)測機(jī)床功率以間接獲得刀具磨損信息；監(jiān)測刀具斷裂(破損)等。目前國內(nèi)外對高速切削刀具監(jiān)測技術(shù)的研究及開發(fā)應(yīng)用還不夠充分。
   

   4 結(jié)語

   
   
   高速切削技術(shù)是一種先進(jìn)制造技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。高速切削刀具及其相關(guān)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速切削加工的基本條件。因此，應(yīng)重視和加強(qiáng)與高速切削相適應(yīng)的刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)及刀具監(jiān)控技術(shù)的研究和開發(fā)，建立高速切削刀具安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，努力提高我國機(jī)械制造業(yè)的切削加工效率和質(zhì)量水平。