高速切削刀具加工介紹及平衡質(zhì)量

從目前的試驗(yàn)看，隨著切削速度的逐步提高，切削時(shí)的變形規(guī)律發(fā)生一些改變。切屑中的剪切變形逐漸加劇，剪切區(qū)的滑移逐漸加強(qiáng)，即使是塑性材料的切屑形態(tài)，也會(huì)組建逐漸從帶狀切屑轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X狀切屑，進(jìn)而有可能進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧獱钋行肌?

由于在高速切削的條件下切屑會(huì)由帶狀切屑轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧�切屑，切屑與前刀面的摩擦將不再是切削力和切削熱的主要來(lái)源之一；同樣由于切削速度的提高，后刀面處工件材料的彈性變形也將由于變形速度逐漸跟不上切削速度而減少，后刀面的摩擦也因此而減少，從而對(duì)降低切削力和切削熱產(chǎn)生有利的影響。因此在高速切削時(shí)，主要的切削熱將由切屑導(dǎo)出，而工件和刀具的溫升都非常小，因此高速切削也被成為“冷態(tài)切削”。

1．高速加工的基本情況?

高速切削的研究歷史，可以追溯到20世紀(jì)30年代由德國(guó)Carl Salomon博士首次提出的有關(guān)高速切削的概念。Salomon博士的研究突破了傳統(tǒng)切削理論對(duì)切削熱的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為切削熱只是在傳統(tǒng)切削速度范圍內(nèi)是與切削速度成單調(diào)增函數(shù)關(guān)系。而當(dāng)切削速度突破一定限度以后，切削溫度不再隨切削速度的增加而增加，反而會(huì)隨切削速度的增加而降低，即與切削速度在較高速度的范圍內(nèi)成單調(diào)減函數(shù)。Salomon博士的研究因第二次世界大戰(zhàn)而中斷。50年代后期開始，高速切削的試驗(yàn)又開始進(jìn)入各種試驗(yàn)研究，高速切削的機(jī)理開始被科學(xué)家們所認(rèn)識(shí)。1979年開始由德國(guó)政府研究技術(shù)部資助、德國(guó)Darmstadt大學(xué)PTW研究所牽頭、由大學(xué)研究機(jī)構(gòu)、機(jī)床制造商、刀具制造商、用戶等多方面共同組成的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)高速銑削展開了系統(tǒng)的研究。除了高速切削機(jī)理外，研究團(tuán)隊(duì)同步研究解決高速銑削中機(jī)床、刀具、工藝參數(shù)等多方面的應(yīng)用解決方案，使高速銑削在加工機(jī)理尚未得到完全共識(shí)的情況下首先在鋁合金加工和硬材料加工等領(lǐng)域得到應(yīng)用，解決模具、汽車、航空等領(lǐng)域的加工需求，從而取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2．刀具的平衡質(zhì)量?

物理學(xué)原理表明，旋轉(zhuǎn)中的質(zhì)點(diǎn)的離心力與質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量、質(zhì)點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)軸的距離以及旋轉(zhuǎn)的角速度(或者轉(zhuǎn)速)的二次方成正比，即

F=mω2r?

式中：F為離心力(N)，m為不平衡質(zhì)量(kg)，ω為角速度(rad/s)，r為不平衡質(zhì)量m所在半徑(m)。

由于ω=2πn/60(n為轉(zhuǎn)速，r/min)，則離心力的大小可改寫為：

F=m(2πn/60)2r≈mn2r/100

也就是說(shuō)，如果轉(zhuǎn)速增加1倍，離心力將增大到原來(lái)的4倍。這就意味著在高的旋轉(zhuǎn)速度下，刀具的加工精度和壽命都可能受到離心力的嚴(yán)重影響。?

某精密鏜刀制造商提供的數(shù)據(jù)說(shuō)明了這一問(wèn)題。他們選擇兩把鏜刀進(jìn)行試驗(yàn)，其中只有一把精鏜刀預(yù)先進(jìn)行過(guò)動(dòng)平衡。這兩把鏜刀在5000r/min時(shí)所加工孔的的圓度沒(méi)有什么差別，都是1.1μm，這些誤差主要由于機(jī)床工具系統(tǒng)的精度造成；而當(dāng)轉(zhuǎn)速提高1倍到10000r/min時(shí)，情況就明顯不同了。經(jīng)過(guò)平衡的鏜刀所加工出的孔的圓度比5000r/min時(shí)略有增加，為1.25μm，而未經(jīng)平衡的鏜刀所加工出的孔的圓度比5000r/min時(shí)增加很多，達(dá)到6.30μm，是經(jīng)過(guò)平衡調(diào)整的鏜刀的5倍多。

在刀具制造完成后，其不平衡量U=mr已經(jīng)確定。然而在實(shí)際操作中，我們很難得到這個(gè)不平衡質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量和位置，但我們可以用整個(gè)回轉(zhuǎn)體(如刀具)的質(zhì)量以及整個(gè)回轉(zhuǎn)體的質(zhì)心與回轉(zhuǎn)中心的距離的乘積來(lái)描述刀具的不平衡量，稱為殘余不平衡量U，這個(gè)不平衡量是我們度量回轉(zhuǎn)體平衡水平的工具：

U=mr=Me?

式中：U為殘余不平衡量(g·mm)，m為殘余不平衡質(zhì)量(g)，r為殘余不平衡質(zhì)量m所在半徑(mm)，M為回轉(zhuǎn)體質(zhì)量(kg)，E為殘余不平衡量產(chǎn)生的重心偏移(μm)。?

德國(guó)制定了一個(gè)平衡品質(zhì)等級(jí)G的標(biāo)準(zhǔn)，以單位質(zhì)量的殘余不平衡量eper和轉(zhuǎn)速n來(lái)衡量回轉(zhuǎn)體的平衡等級(jí)，并規(guī)定了從G0.4至G250的一系列平衡品質(zhì)等級(jí)。即

G=(eper×ω)/1000=(eper×n)/9549≈(eper×n)10000??

eper=U/M

我們可以按照這一標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)，進(jìn)行下列操作：?

(1)已知使用的nmax和G，可求出eper，再算出轉(zhuǎn)子的許用不平衡量Uper，指導(dǎo)平衡操作。

(2)已知轉(zhuǎn)子的U值，可根據(jù)所要求的G值，限定能使用的nmax。?

(3)已知轉(zhuǎn)子的U值，規(guī)定所能使用的nmax及對(duì)應(yīng)的G值。

通常認(rèn)為，對(duì)于高速切削的刀具，其平衡品質(zhì)等級(jí)應(yīng)不低于G16(即在10000r/min時(shí)其單位質(zhì)量的殘余不平衡量eper不超過(guò)16μm)，而殘余不平衡量產(chǎn)生的重心偏移e的最小值可以規(guī)定為2～5μm(把刀具系統(tǒng)安裝在機(jī)床主軸上時(shí)，可能產(chǎn)生的偏心量作為2～5μm，把刀具的許用不平衡度校正到小于該值已無(wú)必要)。?

3．刀具的平衡方法?

對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)下的刀具必須進(jìn)行平衡。按照平衡理論，回轉(zhuǎn)體的不平衡可以分為三種：?

(1)靜不平衡：靜不平衡是只有一個(gè)不平衡質(zhì)量且該不平衡質(zhì)量位于兩個(gè)支承的正中間，因此其在旋轉(zhuǎn)中的離心力在兩個(gè)支承上反力的大小和方向均相等。在切削加工中的短懸伸刀具(如盤類刀具)可近似地認(rèn)為只是靜不平衡。?

(2)偶不平衡：有兩個(gè)不平衡質(zhì)量，分布在對(duì)稱于支承中點(diǎn)的180°位置，因此其在旋轉(zhuǎn)中的離心力在兩個(gè)支承上反力的大小相等方向卻相反，形成的是一個(gè)力偶。?

(3)動(dòng)不平衡：有兩個(gè)或兩個(gè)以上的不平衡質(zhì)量，分布不符合以上的規(guī)律，其在旋轉(zhuǎn)中的離心力在兩個(gè)支承上反力的大小和方向都不一樣�？梢赃@樣認(rèn)為，動(dòng)不平衡是靜不平衡和偶不平衡的疊加，桿類刀具大部分都是此類不平衡。

不平衡的消除有加重、去重和調(diào)整三類方法，刀具的出廠預(yù)平衡多采用鉆孔去重的方法。即在經(jīng)平衡機(jī)測(cè)量并計(jì)算得到的位置鉆一個(gè)指定大小和深度的孔，以使刀具在該位置截面上得到靜平衡，或者在兩個(gè)位置上各鉆一個(gè)孔以實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡。?

可轉(zhuǎn)位刀具由于更換刀片和配件后會(huì)產(chǎn)生新的微量不平衡，整體刀具在裝入刀柄后也會(huì)在整體上形成某種微量不平衡，我們經(jīng)常會(huì)使用調(diào)整法來(lái)去除不平衡量以達(dá)到平衡目的。調(diào)整法主要有三種方式：?

(1)平衡調(diào)整環(huán)：高速加工中安裝整體刀具使用的刀柄主要采用這種方式，通常在刀柄上具有兩個(gè)平衡調(diào)整環(huán)。通過(guò)分別旋轉(zhuǎn)平衡調(diào)整環(huán)，可以產(chǎn)生一個(gè)合力和一個(gè)平衡力矩，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡。?

(2)平衡調(diào)整螺釘：盤類刀具可以采用這種方式。這種方法通常通過(guò)在一個(gè)(或兩個(gè))截面內(nèi)對(duì)兩個(gè)螺釘進(jìn)行徑向移動(dòng)來(lái)改變?cè)摻孛鎯?nèi)的質(zhì)心位置，從而達(dá)到平衡調(diào)整的目的。?

(3)平衡調(diào)整塊：大尺寸的單刃刀具(如單刃鏜刀)通常會(huì)設(shè)置一個(gè)平衡調(diào)整塊。該調(diào)整塊與單刃刀頭處于同一截面，徑向可以移動(dòng)。通過(guò)該調(diào)整塊的移動(dòng)來(lái)達(dá)到平衡。?

減少刀具不平衡的方法，除了上述平衡方法以外，減少刀具的重量也是一個(gè)有效的方法。如瓦爾特用于鋁合金高速切削的刀具的刀體用高強(qiáng)度的鋁合金制造，由于鋁的密度僅為鋼的34.6%，同樣制造精度下的離心力也就大大減少了。以直徑200mm的銑刀為例，相對(duì)于相同直徑鋼刀體銑刀，刀具的重量由9.8kg減少到3.7kg，允許使用的最高轉(zhuǎn)速也從4200r/min提高到13200r/min。

對(duì)于在高速切削條件下使用的刀具，盤類刀具由于軸向尺寸相對(duì)較小，一般可以只進(jìn)行靜平衡；而桿類刀具的懸伸較長(zhǎng)，其質(zhì)量軸線與旋轉(zhuǎn)軸線之間可能存在的夾角就不能被忽略，因此必須進(jìn)行動(dòng)平衡。必須明確的是，只有在兩個(gè)或兩個(gè)以上截面中進(jìn)行的平衡調(diào)整才可能是動(dòng)平衡，而在一個(gè)截面內(nèi)進(jìn)行的平衡都應(yīng)是靜平衡。?

4．高速切削的刀具選用?

就一般規(guī)律而言，中心對(duì)稱的結(jié)構(gòu)更適合高速加工。如在中心不對(duì)稱的三齒結(jié)構(gòu)中，三齒中僅一齒過(guò)中心，該刀具一般不適合作為高速切削刀具；在中心對(duì)稱的二齒結(jié)構(gòu)中，其兩個(gè)刀齒均過(guò)中心，就比較適合高速切削。同樣，帶削平的圓柱刀柄由于削平去除了刀具一側(cè)的部分材料，也造成了刀具的不平衡，對(duì)于高速切削也是不利的。加上其通常使用螺釘從側(cè)面壓緊，使刀柄上安裝孔與刀具柄部的間隙在夾緊過(guò)程中變?yōu)椴粚?duì)稱間隙，安裝后的不平衡可能被加劇，更不適合用于高速切削。因此我們?cè)诟咚偾邢鞯牡毒哌x擇過(guò)程中要充分考慮其結(jié)構(gòu)的影響，避免刀具結(jié)構(gòu)在原理上就不平衡。因?yàn)橥ǔＭㄟ^(guò)調(diào)整所能去除的不平衡量相當(dāng)有限，而原理上的不平衡往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出刀柄調(diào)整所能消除的不平衡的范圍。

我們認(rèn)為，刀具供應(yīng)者應(yīng)對(duì)自己提供的刀具能否用于高速切削作出明示�，F(xiàn)在，許多歐美刀具商已經(jīng)在其樣本等宣傳資料上標(biāo)明了表示適用于高速切削的符號(hào)“HSC”或適用于高速加工的符號(hào)“HSM”，因此，一般沒(méi)有標(biāo)注這類符號(hào)的就表示不適合高速切削。