高速切削加工刀具技術(shù)研究

   代表現(xiàn)代機械加工主流方向的高速切削加工，因順應(yīng)了21 世紀(jì)機械加下高效率、高精度、柔性與綠色化的要求而得到了迅猛發(fā)展。高速加工的最大特點是在極大滿足高效生產(chǎn)的同時，也大大提高了被加工零件的加工精度和表面質(zhì)量。運用高速加工的“一次過”技術(shù)，可將傳統(tǒng)的粗精加工一次加工完成，既可獲得高質(zhì)量的加工表面，又省去了傳統(tǒng)的若干工序，使加工效率得以極大提高。隨著電主軸在機床中的普遍應(yīng)用，制約機床切削速度不斷提高的因素已不僅僅是機床主軸本身，適宜高速切削加工要求的刀具系統(tǒng)與技術(shù)的研究已成為影響高速加工不斷發(fā)展的重要因素。因此，深入研究高速加工對刀具系統(tǒng)提出的新要求，開發(fā)適宜高速加下要求的刀具系統(tǒng)具有十分重要的意義。本文針對傳統(tǒng)刀具在高速加工中存在的弊端，在認(rèn)真分析高速加工對刀具系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，論述了適宜高速加工要求的刀具系統(tǒng)的技術(shù)方法。
1 高速切削加工對刀其系統(tǒng)的要求
　　高速切削加工不僅僅是主軸轉(zhuǎn)速的提高，而是指整體加工時間的縮短。因此，高速切削加工不僅要求切削刀具具有很高的剛性、安全性、柔性、動平衡特性和操作方便性，而且對刀具系統(tǒng)與機床接口的連接剛度、精度以及刀柄對刀具的夾持力與夾持精度等都提出了很高的要求。
　　所謂刀具系統(tǒng)即由裝夾刀柄與切削刀具所組成的完整刀具體系。裝夾刀柄與機床接口相配，切削刀具直接加工被加工零件，兩者極為重要。高速切削加工刀具系統(tǒng)必須滿足以下要求：
   刀具結(jié)構(gòu)的高度安全性   作為應(yīng)用于高速切削加工的刀具系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)必須具有高度安全性，以防止刀具高速回轉(zhuǎn)時刀片飛出，并保證旋轉(zhuǎn)刀片在2倍于最高轉(zhuǎn)速時不破裂。
 　刀具系統(tǒng)優(yōu)異的動平衡性    用于高速加工的刀具系統(tǒng)的動平衡性能是至關(guān)重要的。由理論力學(xué)知識可知，離心力F=mrw2，當(dāng)?shù)毒呦到y(tǒng)動平衡性能較差時，高速旋轉(zhuǎn)的刀具會產(chǎn)生很大的離心力，從而引起刀桿彎曲并產(chǎn)生震動，其結(jié)果將使被加工零件質(zhì)量降低，甚至導(dǎo)致刀具損壞。
 　高的系統(tǒng)剛性   刀具系統(tǒng)的靜、動剛性是影響加工精度及切削性能的重要因素。刀具系統(tǒng)剛性不足將導(dǎo)致刀具系統(tǒng)振動或傾斜，使加工精度和加工效率降低。同時，系統(tǒng)振動又會使刀具磨損加劇，降低刀具和機床使用壽命。
 　高的系統(tǒng)精度   系統(tǒng)精度包括系統(tǒng)定位夾持精度與刀具重復(fù)定位精度以及良好的精度保持性。具備以上精度要求的刀具系統(tǒng)，才能保證高速加工整個系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性，從而滿足高速、高精加工工件的要求。
 　高的互換性   對模塊式刀具系統(tǒng)而言，需要刀具系統(tǒng)具有更高的靈活性，以便通過調(diào)整或組裝，迅速適應(yīng)不同零件的加工需要。此外，刀具與機床的接口應(yīng)采用相同的刀柄系統(tǒng)，以減少不必要的庫存。
 　高效性   刀具系統(tǒng)必須具備高質(zhì)量、高使用壽命的刀具，以滿足高速高效加工工件的要求。
 　高適應(yīng)性  刀具系統(tǒng)應(yīng)具有加工多種硬度材質(zhì)的能力，以滿足高速加工各種工件的要求。
2 傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)存在的問題
　　刀具定位精度和重復(fù)定位精度低 高速加工時，由于離心力的作用，主軸錐孔與刀具錐柄均發(fā)生徑向擴張。當(dāng)錐柄擴張量小于主軸錐孔擴張量時，出現(xiàn)配合間隙。于是，在拉緊螺釘拉緊力的作用下，錐柄帶動刀具軸向位移，導(dǎo)致刀具在高速加下時軸向定位精度降低。同時，刀柄與主軸錐孔只靠錐面配合連接，軸向剛度較低，導(dǎo)致刀具重復(fù)定位精度較低。
　　刀具動態(tài)與靜態(tài)剛度低刀具高速旋轉(zhuǎn)時，在離心力作用下，主軸錐孔軸向擴張量的差異，使得本來由錐面結(jié)合的低剛性連接的剛度進(jìn)一步降低。
　　刀柄錐部較長，不利于快速換刀和機床主軸的小型化。
    由于以上原因，傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)已不能滿足高速切削加工的需要，必須研究開發(fā)適宜高速切削加工的刀具系統(tǒng)。
3 基于高速切削加工的刀具技術(shù)
　　刀具材料技術(shù)
　　高速切削加工對材料的主要要求是：良好的高溫化學(xué)性能、熱物理性能、化學(xué)穩(wěn)定性、抗涂層破裂性、抗粘接性和抗熱振性。高速切削加工刀具材料必須按被加工工件材質(zhì)和加工特性進(jìn)行選擇，并配以合理的切削條件，才能發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。對于鋼、鑄鐵等黑色金屬，宜選用陶瓷、金屬陶瓷及立方氮化硼刀具，對于鋁、鎂等有色金屬，宜選用PCD 和CVD等刀具材料。目前，在美國航天航空工業(yè)中，銑削鋁合金的切削速度已達(dá)7,500m/min、，其切削速度主要受限于機床主軸轉(zhuǎn)速。對于鋼、鑄鐵等黑色金屬，高速切削中達(dá)到的切削速度為加工鋁合金的1/3～1/5 ，約為1,000～1,200m/min ，其速度主要受限于刀具材料的耐熱性，而未來高速切削的目標(biāo)是：銑削鋁合金的切削速度為10,000m/min 。鑄鐵為5,000m/min ，普通鋼材為2,500m/min ，而鉆削鋁合金、鑄鐵、普通鋼的速度為30,000m/in 、20,000m/min和10,000m/min , 在未來高速和超高速加工中，超硬刀具材料(如PCD 、PCBN )、陶瓷刀具、涂層刀具、TiC(N)基硬質(zhì)合金刀具等刀具材料將發(fā)揮重要作用。
　 刀其系統(tǒng)接口技術(shù)
 　刀具系統(tǒng)接口技術(shù)包括刀具—機床接口技術(shù)與刀具—刀柄接口技術(shù)。
　 刀具—機床接口技術(shù)
 　為了克服傳統(tǒng)刀柄僅僅依靠錐面定位導(dǎo)致的不利影響，一些科研機構(gòu)和刀具制造商研究開發(fā)了一種能使刀柄在主軸內(nèi)孔錐面和端面同時定位的新型連接方式—兩面約束過定位夾持系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有很高的接觸剛度和重復(fù)定位精度，夾緊可靠。目前，該系統(tǒng)主要有短錐柄和7:24長錐柄兩種形式。雖然7:24錐柄具有與傳統(tǒng) BT刀柄可以互換，并可方便安裝于主軸錐孔錐度為7:24的機床上，可提高刀柄與主軸的連接剛度和精度等優(yōu)點，但從切削速度日趨提高的高速加工的發(fā)展趨勢來看，錐度為1:10的短錐柄的刀柄結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景更為廣闊。目前，短錐柄的兩面約束刀柄主要有HSK、KM、NT、BIG-PLUS等幾種。 　　　　　　　　　　
　　HSK刀柄的錐柄部分采用錐度為1:10 的中空短錐柄。當(dāng)?shù)侗�與主軸連接時，依靠短錐刀柄在主軸錐孔內(nèi)定心。當(dāng)短錐刀柄與主軸錐孔緊密接觸時．在端面間尚有0.1左右的間隙，在拉緊力作用下，利用中空刀柄的彈性變形補償該間隙，以實現(xiàn)與主軸錐面和端面雙面約束定位。此時，短刀柄與主軸錐孔間的過盈量約3～10 µm。由于中空刀柄具有較大的彈性變形，因此對刀柄的制造精度要求相對較低。此外，由于HSK刀具系統(tǒng)柄部短、質(zhì)量小，有利于機床自動換刀和機床小型化。但其中空短錐柄結(jié)構(gòu)亦會使系統(tǒng)剛度與強度受到影響。HSK刀柄有A、B、C、D、E等多種形式，其中HSK40A 、HSK40E 、HSK63E的極限轉(zhuǎn)速可達(dá)到4,200r/min 、5,5000r/min 、3,2500r/min。
　　由美國肯納公司研究開發(fā)的KM(Kennametal )模塊系統(tǒng)——兩面夾刀具系統(tǒng)。它采用了三點定位方式，既可用于車床又可用于車削中心和加工中心。由于它結(jié)構(gòu)獨特，具有高速、高剛性、高精度的優(yōu)點，正在被越來越多的機床廠家所采用。與HSK刀柄相比，KM刀柄與主軸錐孔間的過盈量高約2～5倍，如KM6350(相當(dāng)于BT40)的過盈量為10～25µm，其實際應(yīng)用中，KM6350和KM4032的轉(zhuǎn)速分別達(dá)到36,000r/min和50,000r/min。
　　BIG-PLUS刀具系統(tǒng)采用7:24 錐度，其結(jié)構(gòu)設(shè)計可保證刀柄主軸與主軸端面的間隙約0.2 左右，鎖緊時可利用主軸內(nèi)孔的彈性膨脹對該間隙進(jìn)行補償，以確保刀柄與主軸端面貼緊。
　　兩面約束夾持系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)工具系統(tǒng)的許多不足，代表了刀具一機床接口技術(shù)的主流方向，必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前，國外已研發(fā)了多種結(jié)構(gòu)形式的兩面約束夾持系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)具有重復(fù)定位精度高、動靜剛度高等一系列優(yōu)點，可滿足高速加工的要求。
    刀具一刀柄接口技術(shù)
　　刀柄對刀具的夾持力的大小和夾持精度的高低，在高速切削中具有十分重要的位置。如果刀柄對刀具夾持不牢固，輕則降低加工精度，重則導(dǎo)致刀具及工件損壞，甚至引發(fā)安全事故。
　　提高刀具系統(tǒng)夾持精度，就必須設(shè)法使刀具得到精密可靠定位，確保足夠夾持力，就必須嚴(yán)格控制和提高刀具系統(tǒng)配合精度、加大夾持長度、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計及合理選材。目前，適宜高速切削加工的刀具夾頭主要有以下幾種：
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