高速切削刀具及刀柄概述.doc

引言 高速切削加工作为制造业中最为重要的一项先进制造技术，已经越来越受到人们的关注随着高速切削加工的应用范围扩大，高速切削在制造领域的应用主要是加工复杂曲面，其中高速铣削（也称为硬铣削，可以把复杂形面加工得非常光滑。加工表面粗糙度值很小、浅腔大曲率半径的零件完全可用高速铣削来代替电加工；对深腔小曲率半径的零件可用高速铣削加工作为粗加工和半精加工，而电加工只作为精加工。这样可大大节约电火花和抛光的时间以及有关材料的消耗，这对保护环境的贡献是不言而喻的。同时，极大地缩短了加工周期，提高了加工效率，降低了加工成本。1 高速切削加工技术1.1 高速切削技术概述2 1931年4月德国物理学家Carl.J.Saloman最早提出了高速切削（High Speed Cutting）的理论，并于同年申请了专利。他指出：在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值之后，切削温度不但不会升高反而会降低，且该切削速度VC与工件材料的种类有关。对于每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，切削加工不可能进行。要是能越过这个速度范围，高速切削将成为可能，从而大幅度地提高生产效率。由于实验条件的限制，当时高速切削无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示。 高速加工技术经历了理论探索，应用探索，初步应用和较成熟应用等四个阶段，现已在生产中得到了一定的推广。特别是20世纪80年代以来，航空工业和模具工业的需求大大推动了高速加工的应用。飞机零件中有大量的薄壁零件，如翼肋、长桁、框等，它们有很薄的壁和筋，加工中金属切除率很高，容易产生切削变形，加工比较困难；另外，飞机制造厂方也迫切要求提高零件的加工效率，从而缩短飞机的交付时间。在模具工业和汽车工业中，模具制造是一个关键，缩短模具交货周期，提高模具制造质量，也是人们长期努力的目标。高速切削无疑是解决这些问题的一条重要途径。自20世纪90年代起，高速加工逐步在制造业中推广应用。目前，据统计，在美国和日本，大约有30%的公司已经使用高速加工，在德国，这个比例高于40%。在飞机制造业中，高速切削已经普遍用于零件的加工。 目前高速切削已经有了一定的应用，但要给高速铣削下一个确切的定义还较困难，高速切削的切削速度范围较难给出。高速切削是一个相对概念，它与加工材料、加工方式、刀具、切削参数等有很大的关系。一般认为，高速切削的切削速度是常规切削速度的510倍。对常用材料，一些资料给出了大致数据：铝合金15005500 m/min；铜合金900 5000 m/min；钛合金1001000 m/min；铸铁7504500 m/min；钢600800 m/min。各种材料的高速切削进给速度范围为225m/min。 1.2 高速切削加工相对传统加工的优势高速切削加工系统主要由可满足高速切削的高速加工中心、高性能的刀具夹持系统、高速切削刀具、热传导等环节组成，避免了传统加工时在刀具和工件接触处产生大量热的缺点，保证刀具在温度不高的条件下工作，延长了刀具的使用寿命。在高速切削中 的切削热被切屑带走，切削温度增加缓慢，工件温度低。基本可以保持冷态加工，工件安全可靠的高速切削 软件系统等构成。随着科技进步，高速切削加工技术广泛应用，具有如下优势：（1）可提高生产效率 高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高510倍，单位时间材料切除率可提高36倍。当加工需要大量切除金属的零件时，可使加工时间大大减少。 （2）降低了切削力 由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，因此切削力较小，与常规切削相比，切削力至少可降低30%，参见图1。这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。 （3）提高了加工质量 因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。 （4）加工能耗低，节省制造资源 由于单位功率的金属切除率高、能耗低、工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，符合可持续发展的要求。 （5）简化了加工工艺流程 常规切削加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。高速切削则可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可完全省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工。1.3 高速切削刀具系统 所谓刀具系统是指由刀柄、夹头和切削刀具所组成的完整的刀具体系，刀柄与机床主轴相连，切削刀具通过夹头装入刀柄之中。要使刀具系统能在高速下进行切削加工，应满足以下基本条件： （1）较高的系统精度 系统精度包括系统定位夹持精度和刀具重复定位精度，前者指刀具与刀柄、刀柄与机床主轴的连接精度；后者指每次换刀后刀具系统精度的一致性。刀具系统具有较高的系统精度，才能保证高速加工条件下刀具系统应有的静态和动态稳定性。 （2）较高的系统刚度 刀具系统的静、动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚度不足会导致刀具系统振动，从而降低加工精度，并加剧刀具的磨损，降低刀具的使用寿命。 （3）较好的动平衡性 高速切削加工条件下，微小质量的不平衡都会造成巨大的离心力，在加工过程中引起机床的急剧振动。因此，高速刀具系统的动平衡非常重要。 2 高速切削刀具2.1 高速切削刀具材料1 高速切削加工时切削温度很高，高速切削刀具的失效主要取决于刀具材料的热性能（包括刀具的熔点、耐热性、抗氧化性、高温力学性能、抗热冲击性能等）。高速干切削、高速硬切削和高速切削黑色金属时的最高切削速度主要受限于刀具材料的耐热性。因此，高速切削加工除了要求刀具材料具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还特别要求刀具材料具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能以及高的可靠性。为了适应高速切削加工技术的需要，保证优质、高效、低耗地完成高速切削加工任务，对高速切削刀具材料提出了如下要求： （1）高的可靠性。高速切削一般在数控机床或加工中心上进行，刀具应具有很高的可靠性，要求刀具的寿命高、质量一致性好，切削刃的重复精度高。如果刀具可靠性差，将会增加换刀时间，降低生产率，这将使高速切削加工失去意义。如果刀具可靠性差还将产生废品，损坏机床与设备，甚至造成人员伤亡。因此，高速切削的刀具可靠性十分重要，解决刀具的可靠性问题，成为高速切削加工成功应用的关键技术之一。在选择高速切削刀具时，除需要考虑刀具材料的可靠性以外，还应考虑刀具的结构和夹固的可靠性。需要对刀具进行最高转速的试验和动平衡试验。 （2）高的耐热性和抗热冲击性能。高速切削加工时切削温度很高，因此，要求刀具材料的熔点高、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击能力强。 （3）良好的高温力学性能。要求刀具材料具有很高的高温力学性能，如高温强度、高温硬度、高温韧性等。 （4）刀具材料能适应难加工材料和新型材料加工的需要。随着科学技术的发展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，各种高强度、高硬度、耐腐蚀和耐高温的工程材料愈来愈多的被采用它们大多属于难加工材料，目前难加工材料己占工件的以上。因此，高速加工刀具应能适应难加工材料和新型材料加工的需要。尽管已出现不少新的刀具材料，但同时满足上述要求的刀具材料是很难找到的。因此，在具有比较好的抗冲击韧度的刀具材料的基体上，再加上高热硬性和耐磨性镀层的刀具技术发展很快。另外，还可以把金刚石等硬度很高的材料烧结在抗冲击韧度好的硬质合金或陶瓷材料的基体上，形成综合切削性能非常好的高速加工刀具。2.2 高速切削对刀具结构的要求3 除了刀具材料的选择外，正确选择刀具结构、切削刃的几何参数以及刀具的断屑方式等对高速切削的效率、表面质量、刀具寿命以及切削热量的产生等都有很大影响，这些都是高速刀具技术中一个重要的组成部分。在高速切削过程中，很关键的问题是要想办法把切削热尽可能多地传给切屑，并利用高速切离的切屑把切削热迅速带走。合适的刀具几何角度对顺利进行高速切 削具有非常重要的作用。选择合适的刀具几何角度的作用如下： （1）合适的刀具后角和合理的进给速度能产生足够大的切屑厚度，以便带走热量，避免切削硬化。 （2）刀刃前角是影响刀具切削载荷的重要参数，应合理选择。 （3）切削载荷与刀具每切刃的进给量有关对于多片镶嵌刀具，切削载荷作用在每一个刀片上；对于实体刀具，切削载荷作用在每个齿上。因此，进给量应该在一个合理的数值之间来进行选择。 （4）高速切削时，刀具的合理几何参数依据加工材料的不同而不同，为获得较佳的刀具几何参数，还可以采用合适的刀体材料和安全的结构，使用较短的切削刃，提高刀具的整体剐性；采用较大的刀尖角，合适的断屑措施等。2.3 加强高速切削刀具的安全性 高速切削刀具安全性涉及的主要对象是高速旋转的铣刀和镗刀，尤其是高速铣刀，因为高速铣削是目前高速切削应用的主要工艺。加工实践表明，普通铣刀的结构和强度不能适应高速切削的要求，因此高速铣刀安全性的研究更具有紧迫性和现实性。 高速切削刀具系统的平衡更为重要。引起高速切削刀具系统不平衡的主要因素有：刀具的平衡极限和残余不平衡度、刀具结构不平衡、刀柄不对称、刀具及夹头的安装（如单刃镗刀）不对称等。高速切削刀具（主要是旋转刀具）使用前除进行静平衡外还必须进行动平衡，应根据其使用速度范围进行平衡，以实现最佳加工效益对高速切削刀具进行平衡时，首先需对刀具、夹头、主轴等各个元件单独进行平衡，然后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。推荐采用微调螺钉进行精细平衡，或直接采用内装动平衡机构的镗刀，通过转动补偿环移动内部配重以补偿刀具不平衡量。做好刀具的动平衡，防止刀具的甩飞和破损，保证工作人员的安全。3 刀柄系统高速切削加工技术能有效的缩短生产周期，降低加工成本，但在实际加工中，有时其加工效果并未达到预期的目标。当然原因很多，但未能正确选用与高速运转的主轴相配合的刀柄是关键因素之一。机床主轴的高速运转如果没有合适的刀具、刀柄相配合，不但不能达到预期的性能，还可能会损坏机床主轴的精密轴承，降低机床的寿命。3.1 适合高速切削加工用的刀柄系统 刀柄对刀具的夹持力的大小和夹持精度的高低，在高速切削中也具有十分重要的位置。如果刀柄对刀具夹持不牢固，轻则降低 加工精度，重则导致刀具及工件损坏，甚至引发安全事故。提高刀具系统夹持精度，就必须设法使刀具得到精密可靠定位，确保足 够夹持力，就必须严格控制和提高刀具系统配合精度、加大夹持长 度、优化结构设计及合理选材。因此，在确定采用高速切削加工时，应能在种类繁多的刀柄系统中，正确选择适合高速切削加工用的刀柄系统。 目前，适宜高速切削加工的刀具夹头主要有以下几种： （1）热缩夹头。利用刀柄装刀孔热胀冷缩使刀具可靠夹紧。它是一种无夹紧元件的夹头，结构简单对称、夹紧力大。高精 度弹簧夹头由日本大昭和精机株式会社生产的高精度弹簧 夹头，采用锥角12锥套，所有夹头都经平衡修整，以适应高速加工的要求。目前，这种夹头的转速可达3000040000r/min。 （2）高精度液压夹头，BIG-PLUS刀具系统的高精度液压夹头采用两点夹持的一体型构造，具有很高的夹持力和夹持精度，且减小了夹头质量。高精度静压膨胀式夹头 由德国雄克公司生产的高精度静压膨胀式夹头，通过拧紧加压螺栓提高油腔内的油压，使油腔内壁均匀对称的向轴线方向膨胀，以夹紧刀具。该夹头夹持精度极高，其径向跳动小于3微米。 （3）三棱变形夹头，该夹头利用夹头本身的变形力夹紧刀具，其自由状态为三棱形，装夹刀具时，利用液力作用使 夹头内孔变为圆形，撤消外力后，内孔重新收缩为三棱形， 以实现对刀具三点夹紧。该夹头具有结构紧凑、定位精度高 (可达3微米以下)且对称、刀具装夹简单等恃点。 （4）新颖结构夹头，一些采用新型结构的夹头。3.2 HSK刀柄 HSK(德文Hohlschaftkegel缩写)刀柄是德国阿亨(Aachen)工业大学机床研究所在20世纪90年代初开发的一种双面夹紧刀柄，它是双面夹紧刀柄中最具有代表性的。HSK刀柄已于1996年列入德国DIN标准，并于2001年12月成为国际标准ISO12164。由于其刚度和重复定位精度较标准7:24锥度柄提高了几倍至几十倍，因此在机械制造业得到了广泛的认同和采用。例如，在德国奔驰汽车公司和大众汽车公司，HSK刀柄被广泛用于铣削、钻削和车削加工中。在我国一汽大众公司的发动机、传动器生产线上共有二百五十多台数控机床采用了HSK高速短锥空心柄工具系统，共6个规格。 HSK刀柄由锥面(径向)和法兰端面(轴向)双面定位，实现与主轴的刚性连接，如图1所示。当刀柄在机床主轴上安装时，空心短锥柄与主轴锥孔能完全接触，起到定心作用。此时，HSK刀柄法兰盘与主轴端面之间还存在约0.1mm的间隙。在拉紧机构作用下，拉杆的向右移动使其前端的锥面将弹性夹爪径向胀开，同时夹爪的外锥面作用在空心短锥柄内孔的30锥面上，空心短锥柄产生弹性变形，并使其端面与主轴端面靠紧，实现了刀柄与主轴锥面和主轴端面同时定位和夹紧的功能。这种结构的刀柄有效地提高刀柄与机床主轴的结合刚度。由于采用锥面、端面过定位结合，使刀柄与主轴的有效接触面积增大，并从径向和轴向进行双面定位，大大提高了刀柄与主轴的结合刚度，克服了传统的标准7:24锥度柄在高速旋转时刚度不足的弱点。HSK刀柄传统的主轴端部结构不兼容，不能直接用于传统的机床，需对机床主轴端部进行重新设计。当然，目前国外许多机床厂家生产的高速机床其主轴端部直接按与中空短锥结构刀柄结合设计。如2003年4月在北京举行的第八届中国国际机床展览会上，几乎所有的高速机床均采用了HSK刀柄。 而且制造刀柄的材料要求较高，成本比较高。由于这种刀柄采用过定位，要求其受热变形小而均匀，否则将会破坏原有的定位精度，且不易装卸。 4 高速切削加工技术展望 高效率、高精度、高柔性和绿色化是机械加工领域的发展趋势。高速切削加工技术必将沿着安全、清洁生产和降低制造成本的方向继续发展，而成为21世纪切削技术的主流铝及其合金等有色金属和碳纤维增强塑料等非金属材料的切削速度主要受限于机床主轴最高转速和功率。在高速加工机床领域，具有小质量、大功率的高速电主轴、高加速度的快速电机、直线电机和高速精密数控系统，以及配套的高速轴承及其润滑技术、刀库技术和自动换刀装置及监控技术等正在迅速发展，可望达到更高的加工水平。 铸铁、钢及其合金、钛及钛合金、高温耐热合金等超级合金以及金属基复合材料的高速切削加工目标主要受刀具寿命困扰，发展新型高温力学性能(硬度、强度与断裂韧性)和高抗热震性能更高的高可靠性的刀具材料对进一步发展高速切削技术具有决定性的意义。 现有高速切削刀具材料PCD、CBN、陶瓷刀具、金属陶瓷、涂层刀具和超细硬质合金刀具等仍将起主导作用，并将得到新的发展。进一步发展新型高温力学性能和高抗热震性能的高可靠性的刀具材料(包括自润滑刀具材料)，特别是为加工超级合金和高性能新型工