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1、高速切削刀具及加工技术姚群（沈阳理工大学机械学院 110159）【摘要】高速切削加工是先进制造技术的重要组成部分,近净形毛坯通过高速机床一次装夹加工是制造业的发展趋势.高速机床不仅要有高的主轴转速和进给速度,而且还需要有高的运动加速度.介绍了高速切削加工的概念和优越性;研究了国外高速机床的技术发展与应用,以及我国高速机床的发展现状和趋势;分析了高速切削机床、高速切削刀具、CNC控制系统等实现高速切削必需的关键技术的发展现状,并探讨了高速切削技术应用领域和高速机床发展趋势.【关键词】高速切削 接口技术 刀具设计High-speedcutting toolsand interface techno
2、logyYAOqun(Mechanical Engineering, ShenyangUniversity of Technology 110159)【Abstract】High speed cutting machining is one of the important techniques of advanced manufacture.Net-shape blank machined by high speed machine tools is the development trend in manufacturing.High speed machine tools should
3、have not only high spindle speed and high in-feed speed,but also high spindle and in-feed system acceleration.This paper discusses the concept and advantages of high speed cutting machining.It also studies both the development and application of the techniques of the foreign high speed machine tools
4、 and current conditions and development tendency of ours.The key technology and current development conditions required by high speed cutting machining of high speed machine tools,cutting tools and CNC control systems are also analyzed.In conclusion,the paper explores the application field of high s
5、peed cutting technology and its future developments in the area of high speed machining.Key words High-speed cutting. Interface Technology Tool design【Key words】high speed cutting；machine tool；key technology；0 引言高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用得到了解决。其切削速
6、度、进给速度相对于传统的切削加工，以级数级提高，切削机理也发生了根本的变化。与传统切削加工相比，高速切削加工发生了本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率提高了30%40%， 高速铣削制造周期与常用材料切削速度1切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低，低阶切削振动几乎消失。1 高速切削加工对刀其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
7、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：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。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=mr2， 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。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
8、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，降低机床使用寿命。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。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。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。高适应性刀具系统应具有加工多种硬度
9、材质的能力，以满足高速加工各种工件的要求。2 传统刀具系统存在的问题刀具定位精度和重复定位精度低高速加工时，由于离心力的作用，主轴锥孔与刀具锥柄均发生径向扩张。当锥柄扩张量小于主轴锥孔扩张量时， 出现配合间隙。于是，在拉紧螺钉拉紧力的作用下，锥柄带动刀具轴向位 移，导致刀具在高速加下时轴向定位精度降低。同时，刀柄与主轴锥孔只靠锥面配合连接，轴向刚度较低，导致刀具重复定位精度较低。刀具动态与静态刚度低刀具高速旋转时，在离心力作用下，主轴锥孔轴向扩张量的差异，使得本来由锥面结合的低刚性连接的刚度进一步降低。刀柄锥部较长，不利于快速換刀和机床主轴的小型化。 由于以上原因，传统刀具系统已不能满足高速切
10、削加工的需要，必须研究开发适宜高速切削加工的刀具系统。3 基于高速切削加工的刀具技术刀具材料技术高速切削加工对材料的主要要求是：良好的高温化学性能、 热物理性能、化学稳定性、抗涂层破裂性、抗粘接性和抗热振性。高速切削加工刀具材料必须按被加工工件材质和加工特性进行选择，并配以合理 的切削条件，才能发挥优异的切削性能。对于钢、铸铁等黑色金属，宜选用陶瓷、金属陶瓷及立方氮化硼刀具，对于铝、镁等有色金属，宜选用PCD和CVD等刀具材料。目前，在美国航天航空工业中，铣削铝合金的切削速度已达7500m/min，其切削速度主要受限于机床主轴转速。对于钢、铸铁等黑色金属，高速切削中达到的切削速度为加工铝合金的
11、1/3 1/5，约为1,0001,200m/min，其速度主要受限于刀具材料的耐热性,而未来高速切削的目标是：铣削铝合金的切削速度为10，000m/min。铸 铁为5，000m/min，普通钢材为2,500m/min，而钻削铝合金、铸铁、普通钢的速度为30,000 m/min 、20,000 m/min 和10,000 m/min，在未来高速 和超高速加工中，超硬刀具材料(如PCD、PCBN)、陶瓷刀具、涂层刀具、TiC(N)基硬质合金刀具等刀具材料将发挥重要作用。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3.1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
12、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。 1.刀柄 2拉杆 3主轴 4弹簧套(图1) 1.刀柄2.拉杆 3.锁紧钢球 4.
13、锁闭杆(图2)图 3HSK刀柄的锥柄部分采用锥度为1:10的中空短锥柄，其结构如图1所示。当刀柄与主轴连接时，依靠短锥刀柄在主轴锥孔内定心。当短锥刀柄与主轴锥孔紧密接触时，在端面间尚有0.1左右的间隙，在拉紧力作用下，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,HSK63E
14、DE的极限转速可达到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，KM6350和KM4032的转速分别达到36000r/min和50000r/min。HSK和KM两系统的刚度比较如图3。 BIG-PLUS刀具系统
15、采用7:24锥度，其结构设计可保证刀柄主轴与主轴端面的间隙约0.2左右，锁紧时可利用主轴内孔的弹性膨胀对该间隙进行补偿，以确保刀柄与主轴端面贴紧。两面约束夹持 系统弥补了传统工具系统的许多不足，代表了刀具一机床接口技术的主流方向，必将得到越来越广泛的应用。目前，国外已研发了多种结构形式的两面约束夹持系统，由于该系统具有重复定位精度高、动静刚度高等一系列优点，可满足高速加工的要求。3.2刀具一刀柄接口技术 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
16、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：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30，000 40,000r/min。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
