高速切削刀具及接口技术

高速切削刀具及接口技术彭炜（沈阳理工大学沈阳110159）摘要：高速切削是先进制造技术中最重要的加工工艺之一，高速切削技术是机械制造业发展的必要趋势，其应用将大幅度地提高加工效率和加工质量。而高速切削刀具技术则是实现高速切削的关键技术之一，文中结合国内外研究进展情况阐述和分析了该技术的研究和应用情况。关键词：高速切削；刀具技术High-speedcuttingtoolsandinterfacetechnologyPENGWEI（shenyangligonguniversityShenyang110159）Abstract：High-speedcuttingisadvancedmanufacturingtechnologyinoneofthemostimportantprocessingtechnology,high-speedcuttingtechnologyisthenecessarymachinerymanufacturingindustrydevelopmenttrend,Itsapplicationwillgreatlyimprovetheprocessingefficiencyandprocessingquality.Thehigh-speedcuttingtooltechnologyisoneofthekeytechnologytoachievehigh-speedcutting,thepaperdescribesthecaseofcombiningtheresearchprogressandanalyzestheresearchandapplicationofthetechnology.Keywords：High-speedcuttingToolTechnology0.前言高速切削的提出源于1931年德国切削物理学家萨洛蒙博士（Carl.J.Salomon）发表的著名的“高速切削理论”，即同年申请德国专利（Machinewithhighcuttingspeeds）的所罗门原理；被加工材料都有一个临界切削速度r0，在切削速度到达临界速度之前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，当切削速度达到普通切削速度的5-6倍时，切削刃口的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损随切削速度增大而减小。现在人们常用“萨洛蒙曲线”来表示，如图一所示。所罗门原理出发点是用传统刀具进行高速切削，从而提高生产效率。尽管后人的研究表明，实际切削中切削温度并没有随切削速度的增加而降低，但萨洛蒙博士的思想给后来研究者一个非常重要的启示；如果切削过程中切削速度超过临界速度而进入高速区工作，则可能利用现有的刀具进行高速切削，从而大幅度地提高机床的生产效率。1.高速切削刀具技术1.1高速切削加工对刀具系统的要求高速切削加工不仅仅是主轴转速的提高，而是指整体加工时间的缩短。因此，高速切削加工不仅要求切削刀具具有很高的刚性、安全性、柔性、动平衡特性和操作方便性，而且对刀具系统与机床接口的连接刚度、精度以及刀柄对刀具的夹持力与夹持精度等都提出了很高的要求。所谓刀具系统即由装夹刀柄与切削刀具所组成的完整刀具体系。装夹刀柄与机床接口相配，切削刀具直接加工被加工零件，两者极为重要。高速切削加工刀具系统必须满足以下要求：（1）刀具结构的高度安全性作为应用于高速切削加工的刀具系统，其结构必须具有高度安全性，以防止刀具高速回转时刀片飞出，并保证旋转刀片在2倍于最高转速时不破裂。（2）刀具系统优异的动平衡性用于高速加工的刀具系统的动平衡性能是至关重要的。由理论力学知识可知，离心力F=mrw2，当刀具系统动平衡性能较差时，高速旋转的刀具会产生很大的离心力，从而引起刀杆弯曲并产生震动，其结果将使被加工零件质量降低，甚至导致刀具损坏。（3）高的系统刚性刀具系统的静、动刚性是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚性不足将导致刀具系统振动或倾斜，使加工精度和加工效率降低。同时，系统振动又会使刀具磨损加剧，降低刀具和机床使用寿命。（4）高的系统精度系统精度包括系统定位夹持精度与刀具重复定位精度以及良好的精度保持性。具备以上精度要求的刀具系统，才能保证高速加工整个系统的静态和动态稳定性，从而满足高速高精加工工件的要求。（5）高的互换性对模块式刀具系统而言，需要刀具系统具有更高的灵活性，以便通过调整或组装，迅速适应不同零件的加工需要。此外，刀具与机床的接口应采用相同的刀柄系统，以减少不必要的库存。（6）高效性刀具系统必须具备高质量、高使用寿命的刀具，以满足高速高效加工工件的要求。（7）高适应性刀具系统应具有加工多种硬度材质的能力，以满足高速加工各种工件的要求。2.高速切削对刀具材料的要求刀具切削性能的好坏,取决于构成刀具的材料、几何参数及其结构,其中刀具材料对刀具耐用度、加工效率和加工质量等的影响最大。由于高速切削所采用的速度比常规切削速度高几倍甚至十几倍,切削温度很高。因此,高速切削对刀具材料提出了更高的要求。高速切削刀具的失效主要是由于刀具材料的热性能(包括熔点、耐热性、抗氧化性、高温力学性能、抗热冲击性能等)不足所引起的。高速干切削和硬切削加工黑色金属的最高速度主要受限于刀具材料的耐热性。如:加工钢和铸铁等黑色金属时,最高速度只能达到加工铝合金的1/3一1/5,原因是切削热使刀尖发生热破损;而高速铣削中则会产生厚度变化的断续切屑,它们都会导致刀具内热应力高频率地周期变化,加速刀具的磨损。因此,高速切削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,还突出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及高的可靠性。(l)高的可靠性高速切削一般在数控机床或加工中心上进行,要求刀具材料必须十分可靠,否则,将会增加换刀时间,降低生产率,使高速切削失去了意义;另外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,刀具的可靠性问题是高速切削成功应用的关键技术之一。(2)高的耐热性、抗热冲击性能和高温力学性能高速切削时切削温度很高,因此,要求刀具材料熔点高、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击性能强,且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。(3)高速切削刀具材料能适应难加工材料和新型材料加工的需要随着技术的发展,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。他们中多数属于难加工材料,据统计目前难加工材料已占工件的40%以上。因此,高速切削刀具应能适应难加工材料和新型材料加工的需要。3.基于高速切削的刀具技术3.1刀具系统接口技术刀具系统接口技术包括刀具-机床接口技术与刀具-刀柄接口技术。3.2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，一些科研机构和刀具制造商研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BT刀柄可以互换,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来看,锥度为1：10的短锥柄的刀柄结构的发展前景更为广阔。目前，短锥柄的两面约束刀柄主要有HSK、KM、NT、BIG-PLUS等几种。3.3刀具-刀柄接口技术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。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。（2）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高精度液压夹头的转速可达到30000-40000r/min。（3）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。（4）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3um。（5）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、定位精度高且对称、刀具装夹简单等特点。（6）新颖结构夹头由Sandvik公司新推出的CoroC-rip夹头，借助液压装置推动锥套，在3D处测量,其径向跳动可达2-6um，这种夹头夹紧更为可靠，其刚性高于液压夹头，装夹时间短于热缩夹头。ISCAR公司推出的圆柱柄新型装夹方式,不证端面接触,而且能在半个圆周面上形成夹紧力,提高了夹持刚性。4.结语高速切削加工已成为机械制造的主流发展方向，因此，适宜高速切削加工的刀具系统技术的研究具有十分重要的意义。随着先进制造技术及材料技术和纳米技术的发展，新的多元、复合、纳米级的硬质涂层及CVD金刚石薄膜等功能材料、超硬刀具材料、陶瓷刀具、涂层刀具等将得到广泛应用，高速切削刀具系统将日趋完善，成为推动高速切削加工的重要组成部分。【参考文献】[1]艾兴，等.高速切削刀具材料的进展和未来[J].制造技术与机床，2001.（8）[2]王西彬，等.超高速切削技术及其新进展[J].中国机械工程，2000.（11）[3]陆海钰，等.高速及超高速切削技术加工的发展[J].机械制造，1999.（5）[4]邓建新，冯益华，艾兴.高速切削刀具材料的发展、应用及展望.作者简介：彭炜，男，1993年出生，本科生。主修机械设计制造及其自动化。