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機械社區

標題: 高速切削刀具技術 [打印本頁]

作者: 把刀用好 時間: 2012-3-1 09:18
標題: 高速切削刀具技術
代表現代機械加工主流方向的高速切削加工，因順應了21 世紀機械加下高效率、高精度、柔性與綠色化的要求而得到了迅猛發展。高速加工的最大特點是在極大滿足高效生產的同時，也大大提高了被加工零件的加工精度和表面質量。運用高速加工的“一次過”技術，可將傳統的粗精加工一次加工完成，既可獲得高質量的加工表面，又省去了傳統的若干工序，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與技術的研究已成為影響高速加工不斷發展的重要因素。因此，深入研究高速加工對刀具系統提出的新要求，開發適宜高速加下要求的刀具系統具有十分重要的意義。本文針對傳統刀具在高速加工中存在的弊端，在認真分析高速加工對刀具系統要求的基礎上，論述了適宜高速加工要求的刀具系統的技術方法。

1 高速切削加工對刀其系統的要求

高速切削加工不僅僅是主軸轉速的提高，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必須滿足以下要求：

1) 刀具結構的高度安全性作為應用于高速切削加工的刀具系統，其結構必須具有高度安全性，以防止刀具高速回轉時刀片飛出，并保證旋轉刀片在2倍于最高轉速時不破裂。

2) 刀具系統優異的動平衡性用于高速加工的刀具系統的動平衡性能是至關重要的。由理論力學知識可知，離心力F=mrw2，當刀具系統動平衡性能較差時，高速旋轉的刀具會產生很大的離心力，從而引起刀桿彎曲并產生震動，其結果將使被加工零件質量降低，甚至導致刀具損壞。

3) 高的系統剛性刀具系統的靜、動剛性是影響加工精度及切削性能的重要因素。刀具系統剛性不足將導致刀具系統振動或傾斜，使加工精度和加工效率降低。同時，系統振動又會使刀具磨損加劇，降低刀具和機床使用壽命。

4) 高的系統精度系統精度包括系統定位夾持精度與刀具重復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，才能保證高速加工整個系統的靜態和動態穩定性，從而滿足高速、高精加工工件的要求。

5) 高的互換性對模塊式刀具系統而言，需要刀具系統具有更高的靈活性，以便通過調整或組裝，迅速適應不同零件的加工需要。此外，刀具與機床的接口應采用相同的刀柄系統，以減少不必要的庫存。

6) 高效性刀具系統必須具備高質量、高使用壽命的刀具，以滿足高速高效加工工件的要求。

7) 高適應性刀具系統應具有加工多種硬度材質的能力，以滿足高速加工各種工件的要求。

2 傳統刀具系統存在的問題

1) 刀具定位精度和重復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生徑向擴張。當錐柄擴張量小于主軸錐孔擴張量時，出現配合間隙。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，導致刀具重復定位精度較低。

2) 刀具動態與靜態剛度低刀具高速旋轉時，在離心力作用下，主軸錐孔軸向擴張量的差異，使得本來由錐面結合的低剛性連接的剛度進一步降低。

3) 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，傳統刀具系統已不能滿足高速切削加工的需要，必須研究開發適宜高速切削加工的刀具系統。

3 基于高速切削加工的刀具技術

1) 刀具材料技術

高速切削加工對材料的主要要求是：良好的高溫化學性能、熱物理性能、化學穩定性、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和加工特性進行選擇，并配以合理的切削條件，才能發揮優異的切削性能。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中，銑削鋁合金的切削速度已達7,500m/min、，其切削速度主要受限于機床主軸轉速。對于鋼、鑄鐵等黑色金屬，高速切削中達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)基硬質合金刀具等刀具材料將發揮重要作用。

2) 刀其系統接口技術

刀具系統接口技術包括刀具—機床接口技術與刀具—刀柄接口技術。

·刀具—機床接口技術

為了克服傳統刀柄僅僅依靠錐面定位導致的不利影響，一些科研機構和刀具制造商研究開發了一種能使刀柄在主軸內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。該系統具有很高的接觸剛度和重復定位精度，夾緊可靠。目前，該系統主要有短錐柄和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點，但從切削速度日趨提高的高速加工的發展趨勢來看，錐度為1:10的短錐柄的刀柄結構的發展前景更為廣闊。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，其結構如圖1所示。當刀柄與主軸連接時，依靠短錐刀柄在主軸錐孔內定心。

1.刀柄 2.拉桿 3.主軸 4.彈簧套
圖1
當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刀具系統柄部短、質量小，有利于機床自動換刀和機床小型化。但其中空短錐柄結構亦會使系統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的極限轉速可達到4,200r/min 、5,5000r/min 、3,2500r/min 。

1.刀柄 2.拉桿 3.鎖緊鋼球 4.鎖閉桿
圖2
由美國肯納公司研究開發的KM(Kennametal )模塊系統——兩面夾刀具系統，其結構如圖2所示。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。由于它結構獨特，具有高速、高剛性、高精度的優點，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(相當于BT40)的過盈量為10～25μm，其實際應用中，KM6350和KM4032的轉速分別達到36,000r/min和50,000r/min。HSK和KM兩系統的剛度比較如圖3。

圖3
BIG-PLUS刀具系統采用7:24 錐度，其結構設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孔的彈性膨脹對該間隙進行補償，以確保刀柄與主軸端面貼緊。

兩面約束夾持系統彌補了傳統工具系統的許多不足，代表了刀具一機床接口技術的主流方向，必將得到越來越廣泛的應用。目前，國外已研發了多種結構形式的兩面約束夾持系統，由于該系統具有重復定位精度高、動靜剛度高等一系列優點，可滿足高速加工的要求。

·刀具一刀柄接口技術

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，重則導致刀具及工件損壞，甚至引發安全事故。

提高刀具系統夾持精度，就必須設法使刀具得到精密可靠定位，確保足夠夾持力，就必須嚴格控制和提高刀具系統配合精度、加大夾持長度、優化結構設計及合理選材。目前，適宜高速切削加工的刀具夾頭主要有以下幾種：

* 熱縮夾頭利用刀柄裝刀孔熱脹冷縮使刀具可靠夾緊。它是一種無夾緊元件的夾頭，結構簡單對稱、夾緊力大。
* 高精度彈簧夾頭由日本大昭和精機株式會社生產的高精度彈簧夾頭，采用錐角12°錐套，所有夾頭都經平衡修整，以適應高速加工的要求。目前，這種夾頭的轉速可達30,000～40,000r/min。
*高精度液壓夾頭 BlG-PLUS刀具系統的高精度液壓夾頭采用兩點夾持的一體型構造，具有很高的夾持力和夾持精度，且減小了夾頭質量。
* 高精度靜壓膨脹式夾頭由德國雄克公司生產的高精度靜壓膨脹式夾頭，通過擰緊加壓螺栓提高油腔內的油壓，使油腔內壁均勻對稱的向軸線方向膨脹，以夾緊刀具。該夾頭夾持精度極高，其徑向跳動小于3μm。
* 三棱變形夾頭該夾頭利用夾頭本身的變形力夾緊刀具，其自由狀態為三棱形，裝夾刀具時，利用液力作用使夾頭內孔變為圓形，撤消外力后，內孔重新收縮為三棱形，以實現對刀具三點夾緊。該夾頭具有結構緊湊、定位精度高(可達3μm以下)且對稱、刀具裝夾簡單等恃點。
*新穎結構夾頭由Sandvik 公司新推出的Coro Grip夾頭，借助液壓裝置推動錐套，在3D處測量，其徑向跳動可達2～6μm，這種夾頭夾緊更為可靠，其剛性高于液壓夾頭，裝夾時間短于熱縮夾頭。ISCAR公司推出的圓柱柄新型裝夾方式，不僅保證端面接觸，而且能在半個圓周面上形成夾緊力，提高了夾持剛性。

3) 刀具平衡技術

高速加工對刀具的動平衡技術提出了很高的要求。一般情況下，銑刀刀柄—彈簧夾頭可通過平衡修整來達到動平衡。如日本NT公司推出的高平衡等級熱縮夾頭(SK3、SK4～6)的適用轉速可達70,000r/min , SR10～20可達50,000r/min 。對于帶微調機構的精鏜頭，為了平衡調節加工直徑時重心的改變，日本大昭和精機株式會社推出了一種可進行自動平衡補償的鏜頭—EWB ，用于加工孔徑為Ø32～105和Ø2～Ø42的高速精鏜頭EWB32～105和EWB2 ～50 ，其極限切削速度可達20，000r/min。

4 刀具設計技術

高速切削刀具設計技術包括刀具幾何參數的優化選擇、刀休安全結構設計、刀片夾緊機構設計等技術。

高速切削刀具損壞的主要特征是：刀具刀尖熱磨損和刀具切削刃邊界的缺口破損。因此，用于高速加工刀具的前角應比普通刀具小(g≤0°) ，后角應比普通刀具大(5°～8°)，主、副切削刃連接處應采用修圓刀尖或倒角刀尖，以提高刀具剛性和減小切削刀具破損的概率。

刀具結構設計應根據被加工材料和工序優化組合刀具材料、涂層和槽型功能，開發具有最佳切削效果的刀片結構。如ISCAR公司和日本三菱公司推出的多功能刀片，具有空間切削刃和曲面前刀面，切削力小，刃口強度高，高速加工時抗磨損能力強，可謂高速加工切削刀具刃型結構的代表。

此外，刀具夾緊結構亦應適應高速加工要求，比如采用新型刀片夾緊結構以防刀片飛出，刀體小質量輕型化設計、標明最高極限轉速及刀片夾緊力矩等。

5 結語

高速切削加工已成為機械制造的主流發展方向，因此，適宜高速切削加工的刀具系統技術的研究具有十分重要的意義。隨著先進制造技術及材料技術和納米技術的發展，新的多元、復合、納米級的硬質涂層及CVD金剛石薄膜等功能材料、超硬刀具材料、陶瓷刀具、涂層刀具等將得到廣泛應用，高速切削刀具系統將日趨完善，成為推動高速切削加工的重要組成部分。

作者: 棒槌土匪 時間: 2012-3-1 10:09
這些都是未來發展方向了

作者: 精密機械加工 時間: 2012-3-1 15:23
都是想象中的理論，網上那里轉來的？

作者: 狙擊手 時間: 2012-11-10 10:17
建議把圖附在文章里，便于大家學習、參考。

作者: 441873007 時間: 2014-5-5 13:45
很好，帶走了

作者: cqzm79 時間: 2016-5-22 11:00
還可以！！！！！！！！！！！！！1

作者: 還是詩雨 時間: 2016-5-23 16:28
支持

作者: 佳鐵雕銑揚州辦J 時間: 2017-1-18 10:50
先學習一下

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