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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(mǎn)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,。 0 V, H6 L0 a L* z9 C& n
& i) x k' g; l1 高速切削加工對(duì)刀其系統(tǒng)的要求0 L0 r5 g& X f1 G/ L
- p: j' F/ T8 d( i9 B: N3 J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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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(mǎn)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,。 7 A. X! l! x" B7 f
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2) 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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4 h8 g8 G/ B y* D/ ^% u3) 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。 2 D* l8 ]6 j d$ J. _3 f
& D& I5 _+ M0 I5 c/ z& n5 b& s6 R4) 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(mǎn)足高速,、高精加工工件的要求,。
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% U0 w' Y9 C# w$ T$ m5) 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,。
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1 D; k2 {# p( V6 a- U, [4 f3 d6) 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(mǎn)足高速高效加工工件的要求,。 # Y4 c, W( B Q% k* h
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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(mǎn)足高速加工各種工件的要求,。
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! Y8 r* w" s5 ?3 a2 傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)存在的問(wèn)題0 m9 Y- j/ f4 v% x$ E' k0 ?$ m. v
; A* [( C/ T4 A$ L6 {5 O$ M9 t1) 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,。 " a/ v3 Q5 g& v& e' s
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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。 5 h/ A1 a9 B3 Q/ Z& x
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3) 刀柄錐部較長(zhǎng),，不利于快速換刀和機(jī)床主軸的小型化,。
: e# D, u6 S, B! E由于以上原因，傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)已不能滿(mǎn)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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3 基于高速切削加工的刀具技術(shù): j( z8 V1 d" ~6 K/ H
- v1 z: L1 [+ r0 O- ]) J) L+ a G1) 刀具材料技術(shù) ; ? C+ \5 Q2 H5 W" X3 Y0 }/ }
( N* S8 ?+ @3 g) ~4 Z' d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,。$ @% T* F8 p0 f$ O7 j4 w
8 W+ Q1 `6 X. S2) 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)。
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·刀具—機(jī)床接口技術(shù) 0 E _! q$ n1 `4 j, F' U/ g+ p
1 ]6 O! b- Y& G. b$ K/ U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,。
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HSK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 b: E$ |. d, o, k& }% ?' x* A+ V/ @1.刀柄 2.拉桿 3.主軸 4.彈簧套6 `' J+ T1 q% S$ y" w& o7 Q7 i5 D
圖1- [' c& o- P2 o( E
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 ,。1 c' z7 S5 P+ Q. t% Y
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1.刀柄 2.拉桿 3.鎖緊鋼球 4.鎖閉桿3 e4 t- m# `, O$ O/ `* R
圖2
4 d( \# b6 H1 a$ I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(chǎng)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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圖34 ]0 M1 r* c8 v; l H: H9 i W, u
BIG-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(mǎn)足高速加工的要求。* h0 r7 v( e8 J9 J/ _
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·刀具一刀柄接口技術(shù) / |7 q7 c3 {% Z. ^
- M& b7 \7 H/ r2 }8 _8 R0 `3 U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。
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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： D' Z8 m) g) L1 k: e) r
1 T% \6 m9 ^: N6 F* 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(chēng),、夾緊力大,。 : s. b$ S# u; W2 P6 V
* 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,。 * _# M( O8 N- w Q8 M+ o6 d. }
*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,。 & U/ X( j3 ?+ A% S0 q) F. r* j& V
* 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(chēng)的向軸線(xiàn)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,。
( j3 S- g$ `: L1 A- b/ G* 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(chēng),、刀具裝夾簡(jiǎn)單等恃點(diǎn)。 6 p2 Q$ x# m/ [$ I- ^
*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 ]) g' G. x0 n# j, N# K, c, E4 a* n3) 刀具平衡技術(shù) 8 i9 {1 u% ^/ O- B: g9 j
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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。
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4 刀具設(shè)計(jì)技術(shù)
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+ d, L2 x; t+ d" H2 c/ l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 ^" @: \% U$ f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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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,。
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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。
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5 結(jié)語(yǔ)- q$ m; E$ x, j- m5 n4 T
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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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伸手黨/灌水/看不懂
