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超高速切削的發(fā)展現(xiàn)狀
金屬切削加工已進入了一個以高速切削為代表的新的發(fā)展階段，由于高速切削加工能極大地提高材料的切除率和零件的加工質(zhì)量，降低加工成本，因而成為當今金屬切削加工的發(fā)展方向之一。高速切削刀具技術是高速切削加工的一個關鍵技術，它包括高速切削刀具材料、刀柄系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)動平衡技術、刀具監(jiān)測技術等。本文就作一概述。
1. 高速切削加工對刀具系統(tǒng)的要求
所謂刀具系統(tǒng)是指由刀柄、夾頭和切削刀具所組成的完整的刀具體系，刀柄與機床主軸相連，切削刀具通過夾頭裝入刀柄之中。要使刀具系統(tǒng)能在高速下進行切削加工，應滿足以下基本條件：
較高的系統(tǒng)精度
系統(tǒng)精度包括系統(tǒng)定位夾持精度和刀具重復定位精度，前者指刀具與刀柄、刀柄與機床主軸的連接精度；后者指每次換刀后刀具系統(tǒng)精度的一致性。刀具系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)精度，才能保證高速加工條件下刀具系統(tǒng)應有的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性。
較高的系統(tǒng)剛度
刀具系統(tǒng)的靜、動剛度是影響加工精度及切削性能的重要因素。刀具系統(tǒng)剛度不足會導致刀具系統(tǒng)振動，從而降低加工精度，并加劇刀具的磨損，降低刀具的使用壽命。
較好的動平衡性
高速切削加工條件下，微小質(zhì)量的不平衡都會造成巨大的離心力，在加工過程中引起機床的急劇振動。因此，高速刀具系統(tǒng)的動平衡非常重要。
2. 傳統(tǒng)實心長刀柄結構存在的問題
目前，在數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床和加工中心上使用的傳統(tǒng)刀柄是標準7:24錐度實心長刀柄。這種刀柄與機床主軸的連接只是靠錐面定位，主軸端面與刀柄法蘭端面間有較大間隙。這種刀柄結構在高速切削條件下會出現(xiàn)下列問題：
刀具動、靜剛度低
刀具高速旋轉時，由于離心力的作用，主軸錐孔和刀柄均會發(fā)生徑向膨脹，膨脹量大小隨旋轉半徑和轉速的增大而增大。這就會造成刀柄的膨脹量小于主軸錐孔的膨脹量而出現(xiàn)配合間隙，使得本來只靠錐面結合的低剛性連接的剛度進一步降低。
動平衡性差
標準7:24錐度柄較長，很難實現(xiàn)全長無間隙配合，一般只要求配合前段70%以上接觸，而后段往往會有一定間隙。該間隙會引起刀具的徑向圓跳動，影響刀具系統(tǒng)的動平衡。
重復定位精度低
當采用atc(automatic toolchanging，自動換刀)方式安裝刀具時，由于錐度較長，難以保證每次換刀后刀柄與主軸錐孔結合的一致性。同時，長刀柄也限制了換刀過程的高速化。
3. 多種新型刀柄的開發(fā)與應用
為了適應高速切削加工對刀具系統(tǒng)的要求，最近10年各工業(yè)發(fā)達國家相繼研制開發(fā)了多種新型結構的刀柄。簡介如下。
1) hsk刀柄
hsk(德文hohlschaftkegel縮寫)刀柄是德國阿亨(aachen)工業(yè)大學機床研究所在20世紀90年代初開發(fā)的一種雙面夾緊刀柄，它是雙面夾緊刀柄中最具有代表性的。hsk刀柄已于1996年列入德國din標準，并于2001年12月成為國際標準iso12164。由于其剛度和重復定位精度較標準7:24錐度柄提高了幾倍至幾十倍，因此在機械制造業(yè)得到了廣泛的認同和采用。例如，在德國奔馳汽車公司和大眾汽車公司，hsk刀柄被廣泛用于銑削、鉆削和車削加工中。在我國一汽大眾公司的發(fā)動機、傳動器生產(chǎn)線上共有二百五十多臺數(shù)控機床采用了hsk高速短錐空心柄工具系統(tǒng)，共6個規(guī)格。
hsk刀柄由錐面(徑向)和法蘭端面(軸向)雙面定位，實現(xiàn)與主軸的剛性連接，如圖1所示。當?shù)侗跈C床主軸上安裝時，空心短錐柄與主軸錐孔能完全接觸，起到定心作用。此時，hsk刀柄法蘭盤與主軸端面之間還存在約0.1mm的間隙。在拉緊機構作用下，拉桿的向右移動使其前端的錐面將彈性夾爪徑向脹開，同時夾爪的外錐面作用在空心短錐柄內(nèi)孔的30°錐面上，空心短錐柄產(chǎn)生彈性變形，并使其端面與主軸端面靠緊，實現(xiàn)了刀柄與主軸錐面和主軸端面同時定位和夾緊的功能。
圖1 hsk刀柄與主軸連接結構與工作原理
這種刀柄結構的主要優(yōu)點是：
有效地提高刀柄與機床主軸的結合剛度。由于采用錐面、端面過定位結合，使刀柄與主軸的有效接觸面積增大，并從徑向和軸向進行雙面定位，大大提高了刀柄與主軸的結合剛度，克服了傳統(tǒng)的標準7:24錐度柄在高速旋轉時剛度不足的弱點。
有較高的重復定位精度，并且自動換刀動作快，有利于實現(xiàn)atc的高速化。由于采用1:10的錐度，其錐部長度短(大約是7:24錐柄相近規(guī)格的一半)。每次換刀后刀柄與主軸的接觸面積一致性好，故提高了刀柄的重復定位精度。由于采用空心結構，質(zhì)量輕，便于自動換刀。
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具有良好的高速鎖緊性。刀柄與主軸間由彈性擴張爪鎖緊，轉速越高，擴張爪的離心力越大，鎖緊力越大。
按德國din標準的規(guī)定，hsk刀柄采用平衡式設計，其結構形式有a、b、c、d、e、f6種型式，每一種型式又有多種尺寸規(guī)格。a、b型為自動換刀刀柄，c、d型為手動換刀刀柄，e、f型為無鍵連接，適用于超高速切削用刀柄。
2) km刀柄
km刀柄是美國肯納(kennametal)公司與德國懷迪爾(widia，本站注：行業(yè)內(nèi)常譯為維迪亞)公司于1987年聯(lián)合開發(fā)出來的，與hsk刀柄并存的1:10短錐空心柄，其結構如圖2所示。km刀柄首次提出了端面與錐面雙面定位原理。km刀柄采用了1：10短錐配合，配合長度短，僅為標準7:04錐柄相近規(guī)格長度的1/3，部分解決了端面與錐面同時定位而產(chǎn)生的干涉問題。另一方面，km刀柄與主軸錐孔間的配合過盈量較高，可達hsk刀柄結構的2～5倍，其連接剛度比hsk刀柄還要高。同時，與其他類型的空心錐柄連接相比，相同法蘭外徑采用的錐柄直徑較小，因而主軸錐孔在高速旋轉時擴張小，高速性能好。
圖2 km 刀柄與主軸連接結構
3) hsk刀柄和km刀柄存在的問題
由于采用雙面定位，造成刀柄在主軸內(nèi)孔產(chǎn)生過定位。要很好實現(xiàn)過定位，就要求刀柄錐面和法蘭盤端面自身有較高的形狀精度以及相互位置精度，這給刀柄的制造增加了難度。因而這種類型的刀柄制造成本較高，其價格通常是常規(guī)標準7:24錐柄的1.5～2倍。
它與傳統(tǒng)的主軸端部結構和刀柄不兼容，不能直接用于傳統(tǒng)的機床，需對機床主軸端部進行重新設計。當然，目前國外許多機床廠家生產(chǎn)的高速機床其主軸端部直接按與中空短錐結構刀柄結合設計。如2003年4月在北京舉行的第八屆中國國際機床展覽會上，幾乎所有的高速機床均采用了hsk刀柄。
制造刀柄的材料要求較高。由于這種刀柄采用過定位，要求其受熱變形小而均勻，否則將會破壞原有的定位精度，且不易裝卸。
4) big-plus刀柄
對高速切削加工用刀柄的研究改型除了德國和美國外，日本一些公司也致力于對原7:24實心長錐柄進行多種形式的改進，以達到雙面定位，提高定位精度和剛度的目的，如日本nikken公司的3locksystem錐柄，big daishowa seiki公司的big-plus精密錐柄和圣和精機株式會社開發(fā)的showad-f-c刀柄等。這些刀柄都是在原標準7:24錐柄基礎上進行了一定改進。
big-plus刀柄的錐度仍然是7:24。其工作原理是：將刀柄裝入主軸錐孔鎖緊前，端面的間隙小。鎖緊后利用主軸內(nèi)孔的彈性膨脹補償端面間隙，使刀柄端面與主軸端面貼緊，從而增大其剛度。這種刀柄同樣采用了過定位，因而必須嚴格控制其形狀精度和位置精度，其制造工藝難度比hsk刀柄還要高。
這種改進型錐柄可與原7:24錐柄互換使用，可應用于原主軸錐孔。但從適應機床轉速進一步高速化的發(fā)展要求，1:10短錐空心柄則更有發(fā)展前途。所以，更多的日本公司還是積極采用德國din標準的hsk刀柄，如nt工具公司、黑田精工、圣和精機、三菱金屬等先后引進hsk生產(chǎn)技術。
綜上所述，高速切削加工用刀柄的發(fā)展趨勢是采用雙面過定位原理，提高刀柄系統(tǒng)的結合剛度。同時，解決好刀柄過定位帶來的相關問題，并不斷改善刀柄材料的性能。
4. 我國對高速切削刀具的研究
我國對高速切削技術的研究起步較晚。20世紀90年代初期，北京理工大學開始研究高速切削的基本理論和方法。與此同時，廣東工業(yè)大學、山東大學、成都工具研究所等高校及科研單位也開展了與高速切削相關技術的研究，如大功率高速主軸單元、高速切削刀具、陶瓷滾動軸承。但我國對高速切削技術研究的總體水平，與國外相比存在較大差距。在高速切削刀具技術方面，山東工業(yè)大學和成都工具研究所等單位作了許多工作，并取得了一定的成績。但迄今我國尚未自主研制開發(fā)出一種實用型高速切削刀具，以至在我國應用高速切削加工技術的各企業(yè)，幾乎所有的高速切削刀具都要從國外進口。例如，一汽大眾捷達、奧迪轎車發(fā)動機、傳動器零部件生產(chǎn)線上所使用的高速刀具均為進口產(chǎn)品(來自49個外國公司)。由此可見，如何實現(xiàn)高速切削刀具系統(tǒng)的全面國產(chǎn)化、商品化，以降低工具成本費用，是我國提高汽車及其他機電產(chǎn)品的國際競爭力的有力措施。
當前，雖然國內(nèi)已有一些工具廠能仿造hsk刀柄，但在產(chǎn)品質(zhì)量上仍存在不少問題，如精度難以達到德國的din標準或iso國際標準，刀柄材料熱變形較大，造成刀柄裝配精度低，而且不易裝卸等。因此，要實現(xiàn)國產(chǎn)化的hsk刀柄或km刀柄，除解決加工精度之外，解決好高速刀具刀柄材料也是一個十分緊迫的問題。
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高速切削刀具材料的發(fā)展現(xiàn)狀2017-05-16 14:22 | #2樓
高速切削作為一種新的切削工藝顯示出奇特的優(yōu)越性。首先，切削效率有顯著的提高，以轎車發(fā)動機的5大件加工為例，在近10年左右的時間里，生產(chǎn)效率提高了約1~2倍，如加工鋁合金缸蓋的pcd面銑刀，銑削速度已達4021m/min，進給速度5670mm/min，比我國90年代初引進的生產(chǎn)線又提高了一倍；又如精加工灰鑄鐵缸體的cbn面銑刀，銑削速度已達2000m/min，比傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金面銑刀提高了10倍。其次，高速切削還有利于提高產(chǎn)品格量、降落制造成本、縮短交貨周期。此外，在高速切削技巧的基本上，開發(fā)了干切削(準干切削、微量潤滑切削)、硬切削(以車代磨、以銑代磨)等新工藝，不僅提高了加工效率，改變了傳統(tǒng)不同切削加工的界限，而且開創(chuàng)了切削加工“綠色制造”的新時代。
硬質(zhì)合金的性能不斷改進，應用面擴大，成為切削加工重要的刀具材料，對推動切削效率的提高起到了主要作用。首先是細顆粒、超細顆粒硬質(zhì)合金材料的開發(fā)，顯明地提高了硬質(zhì)合金材料的強度和韌性，用它制造的整體硬合金刀具，尤其是通用的量大面廣的中小規(guī)格的鉆頭、立銑刀、絲錐等刀具http://emrowgh.com，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高速鋼刀具，使切削速度和加工效率提高了數(shù)倍，把量大面廣的通用刀具帶入了高速切削的范圍，為切削加工全面進入高速切削階段打下了半壁江山。目前整體硬質(zhì)合金刀具已成為國內(nèi)外工具公司的通例產(chǎn)品，并將隨著全體切削加工水平的提高得到越來越廣泛的應用。目前，海內(nèi)湖南鉆石硬質(zhì)合金工存在限公司、上海工具廠有限公司、四平興工刃具備限公司等企業(yè)也都能生產(chǎn)整體硬質(zhì)合金破銑刀、絲錐、鉆頭等系列產(chǎn)品。不僅如此，整體硬質(zhì)合金還在一些復雜成形刀具中得到應用。其次，硬質(zhì)合金加壓燒結等新工藝的開發(fā)和使用，提高了硬質(zhì)合金的內(nèi)在品質(zhì)；以及針對不同加工的須要開發(fā)專用牌號的做法，又進一步提高了硬質(zhì)合金的應用性能。在作為化學涂層硬質(zhì)合金刀片牌號的基體材料時，開發(fā)了領有良好抗塑性變形才干跟韌性表層的梯度硬質(zhì)合金，提高了涂層硬質(zhì)合金刀片的切削性能和應用范圍。
陶瓷和金屬陶瓷刀具材料種類增多，強度跟韌性提高，擴展了利用范疇和加工范疇，在鋼材、鑄鐵的精加工、半精加工中取代硬質(zhì)合金，進步了加工效力和產(chǎn)品德量。目前，這類刀具資料不僅可用在單件、小批出產(chǎn)，而且已用于流水線的批量生產(chǎn)中，并且因為價錢較低，可作為干切削、硬切削的首選刀具。
pcd、cbn超硬刀具材料韌性和制造工藝的改進，使應用領域一直擴大。用cbn制造的缸孔鏼刀已可用在主動生產(chǎn)線上以及鑄鐵和淬硬件的加工中，并從精加工領域擴大到半精加工領域，使切削加工的效率大幅提高。鋁合金是航空工業(yè)和汽車工業(yè)的主要材料，高效加工鋁合金是這兩個產(chǎn)業(yè)局部的一項關鍵技能，目前因為用pcd制造的各種高性能刀具的普遍應用，切削效率明顯提高，最高的切削速度已達7000m/min。產(chǎn)品已從原來車刀、面銑刀擴大到立銑刀、鉆頭、鉸刀、成形刀具等；pcd還是加工石墨、合成材料等非金屬材料唯一的高效刀具。能夠預見，隨著cbn、pcd刀具的推廣，刀具品種將進一步增多，應用領域進一步擴大，在切削加工朝著高速、高效加工方向發(fā)展中起到當先的作用。
在刀具材料發(fā)展中仍要提到高速鋼材料的發(fā)展，只管高速鋼刀具與硬質(zhì)合金刀具比較在全世界的銷售額以每年約5%的數(shù)量在減少，然而高性能的鈷高速鋼和粉末冶金高速鋼的應用量在始終增加。這兩種高性能高速鋼已有很長的歷史，它們比個別的高速鋼有更好的耐磨性、紅硬性和使用的牢靠性，尤其是粉末冶金高速鋼的性能更好，但由于價格高，從前重要用在航空航天工業(yè)加工難加工材料。跟著人們對切削加工效率的追求和觀點的轉變，這些高性能高速鋼的刀具首先在自動線上大量采用，如鉆頭、破銑刀、絲錐等通用刀具和齒輪刀具、拉刀等精致龐雜刀具，收到了提高切削速度和加工品質(zhì)、使用堅固和延長刀具壽命的成果。近多少年，用高機能高速鋼制作的上述刀具已擴大運用到個別的加工中，成為國外高速鋼刀具的慣例產(chǎn)品。
綜上所述，在各種刀具材料的發(fā)展中，硬質(zhì)合金起著主導的作用，但其余刀具材料的性能也得到了顯著的改良，擴大了各自的應用領域，形成了各種刀具材料既有獨特優(yōu)勢和使用規(guī)模又彼此代替補充的整體格局�？赡苷f正是刀具材料的全面的迅速的發(fā)展為當今高速、高效率的金屬切削加工奠定了基礎。
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