1 高速切削加工對刀其系統(tǒng)的要求

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。
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。
3. 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。
4. 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，從而滿足高速、高精加工工件的要求。
5. 高的互換性 對模塊式刀具系統(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)，以減少不必要的庫存。
6. 高效性 刀具系統(tǒng)必須具備高質(zhì)量、高使用壽命的刀具，以滿足高速高效加工工件的要求。
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，以滿足高速加工各種工件的要求。

2 傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)存在的問題

1. 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。
   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。
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，使得本來由錐面結(jié)合的低剛性連接的剛度進(jìn)一步降低。
3. 刀柄錐部較長，不利于快速換刀和機(jī)床主軸的小型化。

3 基于高速切削加工的刀具技術(shù)

1. 刀具材料技術(shù)
   高速切削加工對材料的主要要求是：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，對于鋁、鎂等有色金屬，宜選用PCD 和CVD等刀具材料。目前，在美國航天航空工業(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。
2. 刀其系統(tǒng)接口技術(shù)
   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)。

   1. 刀具—機(jī)床接口技術(shù)
      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)展趨勢來看，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。
      
      1.刀柄 2.拉桿 3.主軸 4.彈簧套
      圖1
      1.刀柄 2.拉桿 3.鎖緊鋼球 4.鎖閉桿
      圖2
      圖3
      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。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盈量約3～10 µm。由于中空刀柄具有較大的彈性變形，因此對刀柄的制造精度要求相對較低。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 。
      由美國肯納公司研究開發(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，既可用于車床又可用于車削中心和加工中心。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)，正在被越來越多的機(jī)床廠家所采用。與HSK刀柄相比，KM刀柄與主軸錐孔間的過盈量高約2～5倍，如KM6350(相當(dāng)于BT40)的過盈量為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。
      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)孔的彈性膨脹對該間隙進(jìn)行補(bǔ)償，以確保刀柄與主軸端面貼緊。 #p#分頁標(biāo)題#e#
      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，必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前，國外已研發(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)，可滿足高速加工的要求。
   2. 刀具一刀柄接口技術(shù)
      刀柄對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。
      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：

      1. 熱縮夾頭 利用刀柄裝刀孔熱脹冷縮使刀具可靠夾緊。它是一種無夾緊元件的夾頭，結(jié)構(gòu)簡單對稱、夾緊力大。
      2. 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。
      3. 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。
      4. 高精度靜壓膨脹式夾頭 由德國雄克公司生產(chǎn)的高精度靜壓膨脹式夾頭，通過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的向軸線方向膨脹，以夾緊刀具。該夾頭夾持精度極高，其徑向跳動(dòng)小于3µm。
      5. 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)且對稱、刀具裝夾簡單等恃點(diǎn)。
      6. 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。
3. 刀具平衡技術(shù)
   高速加工對刀具的動(dòng)平衡技術(shù)提出了很高的要求。一般情況下，銑刀刀柄—彈簧夾頭可通過平衡修整來達(dá)到動(dòng)平衡。如日本NT公司推出的高平衡等級熱縮夾頭(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。

4 刀具設(shè)計(jì)技術(shù)

5 結(jié)語