高速切削刀具及接口技术 (1) - 副本.doc

高速切削刀具及接口技术（沈阳理工大学机械学院 110159）【摘要】高速切削是切削加工的发展方向，已成为切削加工的主流。它是先进制造技术的重要共性关键技术。推广应用高速切削技术将大幅度提高生产效率和加工质量并降低成本。刀具是实现高速切削加工的关键，本文阐述了高速切削刀具材料的要求、高速切削加工刀具材料的未来，并分析了适应高速切削加工的刀具系统的接口技术。【关键词】高速切削刀具材料 高速切削刀具技术 接口技术 High-speedcutting toolsand interface technologyWANG Feng Peng(Mechanical Engineering, ShenyangUniversity of Technology 110159)【Abstract】 The development direction of high speed cutting is the machining, has become the mainstream of machining. It is an important common key technologies of advanced manufacturing technology. Application of high-speed cutting technology will greatly improve the machining quality and production efficiency and reduce cost. Tool is the key to realize high speed machining, this paper expounds the requirements of high speed cutting tool material, the future of the high-speed cutting processing cutting tool material, and analyzes the adapt to the interface technology of high-speed cutting processing cutting tool system.【Key words】 High speed cutting tool materials High speed cutting tool technology Interface Technology 0 前言高速切削理论由德国物理学家Carl.J.Salomon在上世纪三十年代初提出的。他通过大量的实验研究得出结论：在正常的切削速度范围内，切削速度如果提高，会导致切削温度上升，从而加剧了切削刀具的磨损；然而，当切削速度提高到某一定值后，只要超过这个拐点，随着切削速度提高，切削温度就不会升高，反而会下降，因此只要切削速度足够高，就可以很好的解决切削温度过高而造成刀具磨损不利于切削的问题，获得良好的加工效益。随着制造工业的发展，这一理论逐渐被重视，并吸引了众多研究目光，在此理论基础上逐渐形成了数控高速切削技术研究领域，数控高速切削加工技术在发达国家的研究相对较早，经历了理论基础研究、应用基础研究以及应用研究和发展应用，目前已经在一些领域进入实质应用阶段。 高速切削技术是在机床结构及材料、机床设计、制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件和软件技术均得到充分发展基础之上综合而成的。因此，高速切削技术是一个复杂的系统工程，是一个随相关技术发展而不断发展的概念。1 高速切削刀具材料发展现状1.1 涂层刀具材料涂层刀具是通过在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能。常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷等；涂层既可以是单涂层、双涂层或多涂层，也可以是由几种涂层材料复合而成的复合涂层。硬涂层刀具的涂层材料主要有氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、氮化铝钛(TiAlN)、碳氮化铝钛(TiAlCN)等，其中TiAlN在高速切削中性能优异，其最高工作温度可达800 。近年来相继开发的一些新型PVD 硬涂层材料，如CBN、氮化碳(CNx)、Al2O3 、氮化物(TiN/NbN，TiN/VN)等，在高温下具有良好的热稳定性，十分适合用于高速切削。金刚石膜涂层刀具主要适用于加工有色金属。软涂层刀具(如采用硫族化合物MoS2、WS2作为涂层材料的高速钢刀具)主要用于加工高强度铝合金、钛合金或贵重金属材料。此外，最新开发的纳米涂层刀具材料在高速切削中也具有广阔的应用前景，如日本住友公司已开发出纳米TiN/AIN 复合涂层铣刀片，涂层共达2000层，每层涂层厚度为2.5nm。1.2 金属陶瓷刀具材料金属陶瓷具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性。金属陶瓷材料主要包括高耐磨性TiC基硬质合金(TiC+Ni或Mo)、高韧性TiC基硬质合金(TiC+TaC+WC)、强韧TiN基硬质合金(以TiN 为主体)、高强韧性TiCN基硬质合金(TiCN+ NbC)等。金属陶瓷刀具可在300500m/min的切削速度范围内高速精车钢和铸铁。1.3 陶瓷刀具材料陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类，是通过在氧化铝和氮化硅基体中分别加入碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等得到的，此外还有多相陶瓷材料。目前国外开发的氧化铝基陶瓷刀具约有20余个品种，约占陶瓷刀具总量的2/3；氮化硅基陶瓷刀具约有10余个品种，约占陶瓷刀具总量的1/3。陶瓷刀具可在2001000m/min 的切削速度范围内高速切削软钢(如A3钢)、淬硬钢、铸铁及其合金等。1.4 CBN刀具材料立方氮化硼(CBN)刀具具有极高的硬度及红硬性，是高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等的理想刀具材料。由于CBN刀具加工高硬度零件时可获得良好的加工表面粗糙度，因此采用CBN刀具切削淬硬钢可实现“以切代磨”。由于CBN刀坯价格较高及考虑重磨等因素，一般是在可转位硬质合金刀片的一个角上镶焊一块CBN刀坯，且通常只做一个刀尖。研究证明，采用纯CBN材料制成的刀具在许多情况下并不能获得最佳加工效果，为此，国外已开发出各种成分配比的CBN刀片及CBN+金属陶瓷复合刀片，根据不同的加工用途，刀片中的CBN 含量也应相应变化。1.5 PCD刀具材料聚晶金刚石(PCD)材料具有高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数等特点，PCD刀具可实现有色金属及耐磨非金属材料的高速、高精度、高稳定性加工。多齿焊接式PCD刀具的切削刃对刀柄的跳动较小，尤其适合对各种有色金属零件的成形面、孔、阶梯孔等进行大批量高速加工，如采用铝基体刀盘的100mm六齿高速铣刀的最高切削速度可达7000m/min。PCD颗粒的大小对刀具的加工性能影响较大，如PCD粒径为1025m的PCD刀具适于切削加工Si含量12%的铝合金(切削速度v=3001500m/min)及硬质合金；PCD粒径为89m的PCD刀具适于切削加工Si含量12%的铝合金(切削速度v=5003500m/min)及通用非金属材料；PCD粒径为45m的PCD刀具适于切削加工FRP、木材或纯铝等材料。1.6高速钢、硬质合金刀具材料高性能钴高速钢、粉末冶金高速钢、整体硬质合金材料等已成为制造滚刀、剃齿刀、插齿刀等齿轮刀具的主流刀具材料，可用于齿轮的高速切削。用硬质合金粉末、高速钢粉末配制而成的新型粉末冶金材料制成的滚刀其滚削速度可达150180m/min, 如再对其进行TiAlN 涂层处理，则可应用于高速干切削。用细颗粒硬质合金制造并涂覆耐热、耐磨及润滑涂层的麻花钻在高速湿式加工结构钢和合金钢时，切削速度可达200m/min ，进给速度可达1600mm/min ；进行高速干式钻孔时切削速度可达15Om/min ，进给速度可达1200mm/min 。用细颗粒硬质合金制成的高速丝锥加工普通铸铁时，最高攻丝速度可达100m/min。2 高速切削刀具材料的未来未来超高速切削的目标是：铣削铝为10000m/min，铸铁为5000m/min，普通钢为2500m/min：而钻削铝、铸铁和普通钢分别为30000、20000与10000r/min。因此，今后要发展具有更加优异高温力学性能、高化学稳定性和热稳定性及高抗热震性的刀具材料。PCD刀具将继续发展提高性能，广泛使用于加工铝合金和高硬度非金属材料，但人工合成单晶金刚石和金刚石厚膜涂层将发展更快，视其成本，将逐步取代PCD。高速超精密镜面切削领域，天然金刚石刀具仍有重要作用，但部分将被人造单晶金刚石代替。目前限制PCD刀具加工铝合金切削速度的主要是机床的主轴转速及其功率。Al2O3基与Si3N4基陶瓷刀具和CBN刀具为高速切削钢、铸铁及其合金的首选刀具材料，但各有其使用范围，应继续发展。Al2O3基陶瓷刀具高速加工钢及其合金有更广泛的应用前景，与CBN刀具相比，它既有成本优势，又适于加工淬硬钢和未淬硬钢与铁素体材料，但耐热性与抗热震性能还不够。发展耐高温14001500以上并提高其高温强度与抗热震性的、添加CBN的纳米复合型Al2O3基陶瓷刀具是今后的主攻方向。在高速加工耐热合金领域发展具有更大的高温强度和化学稳定性的Al2O3+Si3N4基的添加CBN的复合型刀具材料是一个重要研究方向。3 高速切削刀具技术3.1高速切削刀具结构高转速引起的离心力在高速切削中会使抗弯强度和断裂韧性都较低的刀片发生断裂，除损伤工件外，对操作者和机床也会带来危险。因此，高速切削刀具除了满足静平衡外还必须满足动平衡要求。动平衡一般对小直径刀具要求不严，对大直径刀具或盘类刀具要求严格。外伸较长的刀具，必须进行动平衡。另外需要对刀具、夹头、主轴等每个元件单独进行平衡，还要对刀具与夹头组合体进行平衡，最后，将刀具连同主轴一起进行平衡。但目前还没有统一的平衡标准，对1501940 一1 标准中的平衡质量G 值为平衡标准也有不同的看法，有的企业以Gl 为标准(所谓Gl ，即刀具在10000r / min 回转时，回转轴与刀具中心轴线之间只允许相差1m ，有的以G2 . 5 为标准。3.2高速切削刀具几何参数高速切削刀具刀刃的形状正向着高刚性、复合化、多刃化和表面超精加工方向发展。刀具几何参数对加工质量、刀具耐用度有很大的影响，一般高速切削刀具的前角平均比传统加工刀具小100 ，后角约大5 8 。为防止刀尖处的热磨损，主、副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖，以增大刀尖角;加大刀尖附近刃区切削刃的长度，以提高刀具刚性和减少刀刃破损的概率。3.3高速切削刀柄系统加工中心主轴与刀具的连接大多采用7 : 24 锥度的单面夹紧刀柄系统，150 、CAT 、DIN 、BT 等都属此类。用在高速切削加工时，这类系统出现了许多问题，主要表现为刚性不足;ATC (自动换刀)的重复精度不稳定;受离心力作用的影响较大;刀柄锥度大，不利于快速换刀及机床的小型化等。针对这些问题，为提高刀具与机床主轴的连接刚性和装夹精度，适应高速切削，加工技术发展的需要，相继开发了刀柄与主轴内孔锥面和端面同时贴紧的两面定位的刀柄。两面定位刀柄主要有两大类：一类是对现有7 : 24 锥度刀柄进行的改进性设计，如BIG - PLUS 、WSC 、ABSC 等系统;另一类是采用新思路设计的1 : 10 中空短锥刀柄系统，有德国开发的HSK 、美国开发的KM 及日本开发的NCS 等几种形式。4 刀具机床接口技术为了克服传统刀柄仅仅依靠锥面定位导致的不利影响，一些科硏机构和刀具制造商硏究开发了一种能使刀柄在主轴内孔锥面和端面同时定位的新型连接方式-两面约束过定位夹持系统.该系统具有很高的接触刚度和重复定位精度夹紧可靠。 目前，该系统主要有短锥柄和7:24长锥柄两种形式。虽然7:24锥柄具有与传统肌刀柄可以互換，并可方便安装于主轴锥孔锥度为7:24的机床上，可提高刀柄与主轴的连接刚度和精度等优点， 但从切削速度日趋提高的高速加工的发展趋势下，利用中空刀柄的弹性变形补偿该间隙，以实现与主轴锥面和端面双面约束定位。此时，短刀柄与主轴锥孔间的过盈量约310微米。由于中空刀柄具有较大的弹性变形，因此对刀柄的制造精度要求相对较低。此外，由于刀具系统柄部短、质量小，有利于机床自动换刀和机床小型化。但其中空短锥柄结构亦会使系统刚度与强度受到影晌。HSK刀柄有A,B,C,D,E等多种形式，其中HSK40A,HSK40E,HSK63EDE的极限转数可达到42000r/min,55000r/min,32500r/min。由美国肯纳公司研究开发的KM(Kennametal)模块系统一一两面夹刀具系统，其结构如图2所示。它采用了三点定位方式，既可用于车床又可用于车削中心和加工中心。由于它结构独特，具有高速、高刚性、高精度的优点，正在被越来越多的机床厂家所采用。与HSK刀柄相比，KM刀柄与主轴锥孔间的过盈量高约25倍，如KM6350(相当于BT40)的过盈量为1025微米，其实际应用中，KM6