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代表現(xiàn)代機(jī)械加工主流方向的高速切削加工，因順應(yīng)了21 世紀(jì)機(jī)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(diǎn)是在極大滿足高效生產(chǎn)的同時(shí)，也大大提高了被加工零件的加工精度和表面質(zhì)量。運(yùn)用高速加工的“一次過(guò)”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(jī)床中的普遍應(yīng)用，制約機(jī)床切削速度不斷提高的因素已不僅僅是機(jī)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(duì)刀具系統(tǒng)提出的新要求，開(kāi)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(duì)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(duì)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。 $ f7 M1 R; r5 `( ?/ _ S
2 v1 A" V& X& L1 高速切削加工對(duì)刀其系統(tǒng)的要求
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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(shí)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(dòng)平衡特性和操作方便性，而且對(duì)刀具系統(tǒng)與機(jī)床接口的連接剛度、精度以及刀柄對(duì)刀具的夾持力與夾持精度等都提出了很高的要求。
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. D" H% V9 T$ O" _9 r4 x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(jī)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：
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1) 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(shí)刀片飛出，并保證旋轉(zhuǎn)刀片在2倍于最高轉(zhuǎn)速時(shí)不破裂。 ; }. I! ~; v: W* v, q5 P
; l7 D2 r; P5 L2) 刀具系統(tǒng)優(yōu)異的動(dòng)平衡性 用于高速加工的刀具系統(tǒng)的動(dòng)平衡性能是至關(guān)重要的。由理論力學(xué)知識(shí)可知，離心力F=mrw2，當(dāng)?shù)毒呦到y(tǒng)動(dòng)平衡性能較差時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的刀具會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，從而引起刀桿彎曲并產(chǎn)生震動(dòng)，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。
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9 F9 n0 Q6 |$ o3 a7 k* p9 T3) 高的系統(tǒng)剛性 刀具系統(tǒng)的靜、動(dòng)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(dòng)或傾斜，使加工精度和加工效率降低。同時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)又會(huì)使刀具磨損加劇，降低刀具和機(jī)床使用壽命。 ! Q2 n* p$ Y% f. O7 \/ \7 n
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4) 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(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，從而滿足高速、高精加工工件的要求。
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. _/ Q* t: r$ G) T5) 高的互換性 對(duì)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(guò)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(jī)床的接口應(yīng)采用相同的刀柄系統(tǒng)，以減少不必要的庫(kù)存。 : o: i0 ~9 A" @/ G7 W0 U1 R1 [
8 G! y. l1 E b1 R" p, b$ n% E6) 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。 ' X) S2 a3 ^- A3 n
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7) 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。
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3 _3 Z9 }6 p- @2 傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)存在的問(wèn)題' \$ X7 O9 g8 [/ i
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1) 刀具定位精度和重復(fù)定位精度低 高速加工時(shí)，由于離心力的作用，主軸錐孔與刀具錐柄均發(fā)生徑向擴(kuò)張。當(dāng)錐柄擴(kuò)張量小于主軸錐孔擴(kuò)張量時(shí)，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(dòng)刀具軸向位移，導(dǎo)致刀具在高速加下時(shí)軸向定位精度降低。 $ Z) q" D+ f0 \9 K: p9 |* F6 g3 `: ^
# z- ]6 A/ |" x& ?! y M1 ~同時(shí)，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。
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2) 刀具動(dòng)態(tài)與靜態(tài)剛度低刀具高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力作用下，主軸錐孔軸向擴(kuò)張量的差異，使得本來(lái)由錐面結(jié)合的低剛性連接的剛度進(jìn)一步降低。
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/ j' _- X% L; q1 \2 E* P3) 刀柄錐部較長(zhǎng)，不利于快速換刀和機(jī)床主軸的小型化。/ J( z4 B' Z$ E& R0 P9 ^7 Z7 M, h- v
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(kāi)發(fā)適宜高速切削加工的刀具系統(tǒng)。
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1 C' j2 x i0 w& J3 基于高速切削加工的刀具技術(shù)
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8 k9 Y( ?/ O1 x% l$ Z1) 刀具材料技術(shù)
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# y3 ^8 X) ?( a+ D4 w# W% N+ k: |4 _高速切削加工對(duì)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(duì)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(duì)于鋁、鎂等有色金屬，宜選用PCD 和CVD等刀具材料。目前，在美國(guó)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(jī)床主軸轉(zhuǎn)速。對(duì)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(lái)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(lái)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。/ Z, \( n0 n' V! Z% U
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2) 刀其系統(tǒng)接口技術(shù)
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刀具系統(tǒng)接口技術(shù)包括刀具—機(jī)床接口技術(shù)與刀具—刀柄接口技術(shù)。2 _1 Y7 X% g# \' S6 L+ Z! k) N4 F
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·刀具—機(jī)床接口技術(shù)
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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(jī)構(gòu)和刀具制造商研究開(kāi)發(fā)了一種能使刀柄在主軸內(nèi)孔錐面和端面同時(shí)定位的新型連接方式—兩面約束過(guò)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(zhǎng)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(jī)床上，可提高刀柄與主軸的連接剛度和精度等優(yōu)點(diǎn)，但從切削速度日趨提高的高速加工的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)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。" i# U, w* k& G4 B
$ g: z/ ]. a! ?1 c. ZHSK刀柄的錐柄部分采用錐度為1:10 的中空短錐柄，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)?shù)侗c主軸連接時(shí)，依靠短錐刀柄在主軸錐孔內(nèi)定心。
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1.刀柄 2.拉桿 3.主軸 4.彈簧套 t$ a4 d2 V" ?1 {# E/ R
圖18 S" x/ ?. h4 C7 B" x% [
當(dāng)短錐刀柄與主軸錐孔緊密接觸時(shí)．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(bǔ)償該間隙，以實(shí)現(xiàn)與主軸錐面和端面雙面約束定位。此時(shí)，短刀柄與主軸錐孔間的過(guò)盈量約3～10 μm。由于中空刀柄具有較大的彈性變形，因此對(duì)刀柄的制造精度要求相對(duì)較低。此外，由于HSK刀具系統(tǒng)柄部短、質(zhì)量小，有利于機(jī)床自動(dòng)換刀和機(jī)床小型化。但其中空短錐柄結(jié)構(gòu)亦會(huì)使系統(tǒng)剛度與強(qiáng)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 。" x+ O( ~& D: k3 J n
' x. ^( t( g" K: G5 }1.刀柄 2.拉桿 3.鎖緊鋼球 4.鎖閉桿9 F2 d8 D) n3 y# L* G
圖2: F2 `) I5 F& P+ r y
由美國(guó)肯納公司研究開(kāi)發(fā)的KM(Kennametal )模塊系統(tǒng)——兩面夾刀具系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它采用了三點(diǎn)定位方式，既可用于車(chē)床又可用于車(chē)削中心和加工中心。由于它結(jié)構(gòu)獨(dú)特，具有高速、高剛性、高精度的優(yōu)點(diǎn)，正在被越來(lái)越多的機(jī)床廠家所采用。與HSK刀柄相比，KM刀柄與主軸錐孔間的過(guò)盈量高約2～5倍，如KM6350(相當(dāng)于BT40)的過(guò)盈量為10～25μm，其實(shí)際應(yīng)用中，KM6350和KM4032的轉(zhuǎn)速分別達(dá)到36,000r/min和50,000r/min。HSK和KM兩系統(tǒng)的剛度比較如圖3。
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: b! C2 l8 o: n/ @4 z圖3
" y% q5 a1 X& yBIG-PLUS刀具系統(tǒng)采用7:24 錐度，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可保證刀柄主軸與主軸端面的間隙約0.2 左右，鎖緊時(shí)可利用主軸內(nèi)孔的彈性膨脹對(duì)該間隙進(jìn)行補(bǔ)償，以確保刀柄與主軸端面貼緊。
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兩面約束夾持系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工具系統(tǒng)的許多不足，代表了刀具一機(jī)床接口技術(shù)的主流方向，必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)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(dòng)靜剛度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，可滿足高速加工的要求。6 T: s- ~( H5 c% t6 g
! m8 F7 Q$ {' {·刀具一刀柄接口技術(shù) : B+ z& u+ I$ I2 d3 u
4 A& l2 c+ X2 d$ V. G刀柄對(duì)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(duì)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。 $ H! J' j+ o7 |1 G; H! Y( R5 h) ^
( Y% `* w* z: Q% W C7 |/ y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(zhǎng)度、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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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, M' |' }& U* W$ f+ H* 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(wú)夾緊元件的夾頭，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單對(duì)稱、夾緊力大。
# f) }/ N7 @. y* |. ^7 q* 高精度彈簧夾頭 由日本大昭和精機(jī)株式會(huì)社生產(chǎn)的高精度彈簧夾頭，采用錐角12°錐套，所有夾頭都經(jīng)平衡修整，以適應(yīng)高速加工的要求。目前，這種夾頭的轉(zhuǎn)速可達(dá)30,000～40,000r/min。 * ?3 U* i; ]# v8 k3 X
*高精度液壓夾頭 BlG-PLUS刀具系統(tǒng)的高精度液壓夾頭采用兩點(diǎn)夾持的一體型構(gòu)造，具有很高的夾持力和夾持精度，且減小了夾頭質(zhì)量。
% K- K* @- V7 s* @/ R8 d9 g1 H5 |* 高精度靜壓膨脹式夾頭 由德國(guó)雄克公司生產(chǎn)的高精度靜壓膨脹式夾頭，通過(guò)擰緊加壓螺栓提高油腔內(nèi)的油壓，使油腔內(nèi)壁均勻?qū)ΨQ的向軸線方向膨脹，以?shī)A緊刀具。該夾頭夾持精度極高，其徑向跳動(dòng)小于3μm。 ( i; H5 v2 h e
* 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(tài)為三棱形，裝夾刀具時(shí)，利用液力作用使夾頭內(nèi)孔變?yōu)閳A形，撤消外力后，內(nèi)孔重新收縮為三棱形，以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具三點(diǎn)夾緊。該夾頭具有結(jié)構(gòu)緊湊、定位精度高(可達(dá)3μm以下)且對(duì)稱、刀具裝夾簡(jiǎn)單等恃點(diǎn)。 : \7 x; ?3 H: {& f/ F! S) @
*新穎結(jié)構(gòu)夾頭 由Sandvik 公司新推出的Coro Grip夾頭，借助液壓裝置推動(dòng)錐套，在3D處測(cè)量，其徑向跳動(dòng)可達(dá)2～6μm，這種夾頭夾緊更為可靠，其剛性高于液壓夾頭，裝夾時(shí)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(gè)圓周面上形成夾緊力，提高了夾持剛性。
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3) 刀具平衡技術(shù)
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高速加工對(duì)刀具的動(dòng)平衡技術(shù)提出了很高的要求。一般情況下，銑刀刀柄—彈簧夾頭可通過(guò)平衡修整來(lái)達(dá)到動(dòng)平衡。如日本NT公司推出的高平衡等級(jí)熱縮夾頭(SK3、SK4～6)的適用轉(zhuǎn)速可達(dá)70,000r/min , SR10～20可達(dá)50,000r/min 。對(duì)于帶微調(diào)機(jī)構(gòu)的精鏜頭，為了平衡調(diào)節(jié)加工直徑時(shí)重心的改變，日本大昭和精機(jī)株式會(huì)社推出了一種可進(jìn)行自動(dòng)平衡補(bǔ)償?shù)溺M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(dá)20，000r/min。0 c8 I O; l/ {7 G# r5 V7 I
: P6 u0 ]4 h; h4 |, T; u8 y4 刀具設(shè)計(jì)技術(shù)
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( @& M6 s5 W! _! @" N# \ |" h高速切削刀具設(shè)計(jì)技術(shù)包括刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化選擇、刀休安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、刀片夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等技術(shù)。
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5 A% k" x) Z& T% |; m4 @0 W+ N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(yīng)比普通刀具小(g≤0°) ，后角應(yīng)比普通刀具大(5°～8°)，主、副切削刃連接處應(yīng)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。
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! N1 g! k/ n5 r7 g& J# s刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)被加工材料和工序優(yōu)化組合刀具材料、涂層和槽型功能，開(kāi)發(fā)具有最佳切削效果的刀片結(jié)構(gòu)。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(qiáng)度高，高速加工時(shí)抗磨損能力強(qiáng)，可謂高速加工切削刀具刃型結(jié)構(gòu)的代表。 % N( u' \" J% D$ y
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此外，刀具夾緊結(jié)構(gòu)亦應(yīng)適應(yīng)高速加工要求，比如采用新型刀片夾緊結(jié)構(gòu)以防刀片飛出，刀體小質(zhì)量輕型化設(shè)計(jì)、標(biāo)明最高極限轉(zhuǎn)速及刀片夾緊力矩等。 0 r: [4 B8 O ?& f2 _. `# I }
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5 結(jié)語(yǔ)+ X) W4 ^) ?6 [. j: w6 _; I
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高速切削加工已成為機(jī)械制造的主流發(fā)展方向，因此，適宜高速切削加工的刀具系統(tǒng)技術(shù)的研究具有十分重要的意義。隨著先進(jìn)制造技術(shù)及材料技術(shù)和納米技術(shù)的發(fā)展，新的多元、復(fù)合、納米級(jí)的硬質(zhì)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(yīng)用，高速切削刀具系統(tǒng)將日趨完善，成為推動(dòng)高速切削加工的重要組成部分。 |
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發(fā)表于 2012-3-1 09:18:57
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