一、前言
    數(shù)控高速切削制造技術(shù)促進(jìn)了機(jī)械冷加工制造業(yè)的飛速發(fā)展，革新了產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念，如通過(guò)采用整體件加工取代零部件的分項(xiàng)制造裝配，提高了加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品制造周期。高速切削加速了汽車、模具、航空、航天、光學(xué)、精密機(jī)械等產(chǎn)品的更新?lián)Q代，加速了制造技術(shù)與裝備的升級(jí)，推動(dòng)了企業(yè)技術(shù)進(jìn)步。但目前國(guó)內(nèi)存在相當(dāng)一部分高速機(jī)床因各方面的原因并沒(méi)有達(dá)到理想的效果，如刀具配置跟不上而低速使用，高速電主軸因長(zhǎng)期受重載荷或使用不當(dāng)造成壽命低下，企業(yè)高速切削工藝參數(shù)庫(kù)及CADCAM高速編程軟件包造成高速切削應(yīng)用不是很好，高速切削工藝流程與傳統(tǒng)的工藝流程沒(méi)有有機(jī)結(jié)合，沒(méi)有充分發(fā)揮高速切削加工變形小、加工效率高、定位裝夾少的優(yōu)勢(shì)。
    高速銑削機(jī)床的特點(diǎn)，采用主軸運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)載荷的平穩(wěn)，減小工作臺(tái)由于運(yùn)動(dòng)的慣性，尤其是當(dāng)工作臺(tái)承載較大時(shí)，工作臺(tái)本身和工件的運(yùn)動(dòng)載荷對(duì)高速切削極容易引起沖擊，機(jī)床結(jié)構(gòu)的新穎性對(duì)高速切削有著重要的影響，傳統(tǒng)機(jī)床依靠工作臺(tái)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的XY方向的移動(dòng)不是很適合高速切削。高速機(jī)床有瑞士Mikron公司VCP710、美國(guó)Cincinnati公司HyperMach五軸加工中心、日本Mazak公司SMM－2500UHS、德國(guó)Roders公司RFM1000、意大利FIDIA公司KR214六坐標(biāo)加工中心、FIDIA公司D218五坐標(biāo)加工中心等，其主軸轉(zhuǎn)速及工作進(jìn)給如表1所示。
    一般情況下，高速切削其切削速度比常規(guī)速度高出5～10倍，其材料的去除率是常規(guī)切削的3～5倍以上。對(duì)于鋁合金銑削可達(dá)到1100m/min以上，鑄鐵可到700m/min，鋼材可到380m/min以上，鉆削200～1200m/min，磨削150～360m/min。如圖1所示的是采用FIDIA KR214五坐標(biāo)高速銑削加工中心機(jī)床及機(jī)床驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)試切產(chǎn)品示意圖。
二、高速銑削刀具刀柄
1.高速銑削刀柄
    由于高速切削時(shí)，主軸、刀柄及刀具在高速旋轉(zhuǎn)情況下，較小的偏心就會(huì)產(chǎn)生較大的離心力，由振動(dòng)引起產(chǎn)品的質(zhì)量、降低主軸和刀具的使用壽命。常規(guī)的刀具刀柄系統(tǒng)難以滿足高速切削時(shí)的切削剛度和精度要求�，F(xiàn)階段比較流行常用的高速刀柄系統(tǒng)主要有德國(guó)的HSK刀柄、美國(guó)KM刀柄、日本NC5刀柄。HSK刀柄及KM刀柄均為1:10的錐度，采用主軸錐孔和刀柄端面過(guò)定位的方式，實(shí)現(xiàn)刀具的定位夾緊，其重復(fù)定位精度在傳統(tǒng)7:24的錐度刀柄±2.5μm提高到±1μm，采用這種刀柄系統(tǒng)可以提高主軸剛度、由于其契形效果好，能提高刀具的抗扭能力，且轉(zhuǎn)速越高其鎖緊力越大。但這種刀柄價(jià)格較貴，一般為常規(guī)刀柄的1.5～2倍，其最低轉(zhuǎn)速小于KM刀柄。一般情況下，高速銑削時(shí)，刀具刀柄的不平衡力小于切削力時(shí)，不影響刀具的使用壽命和切削效率。
    根據(jù)高速切削的動(dòng)平衡規(guī)定，主軸轉(zhuǎn)速至少要達(dá)到8000 r/min以上。其進(jìn)給速度至少大于20m/min。50柄轉(zhuǎn)速達(dá)到10000～20000 r/min，40柄以及HSK刀柄20000～40000 r/min，KM刀柄達(dá)到35000 r/min以上。由于高速銑削動(dòng)平衡的要求，在配置高速銑削刀柄刀具時(shí)優(yōu)先配置經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡測(cè)試的刀具系統(tǒng)，其次用戶可以自行采用動(dòng)平衡機(jī)及調(diào)整系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)節(jié)，但其使用非常麻煩。美國(guó)Kennametal公司推出了一種通過(guò)調(diào)節(jié)主軸系統(tǒng)的自動(dòng)平衡刀柄系統(tǒng)TABS刀柄，但目前應(yīng)用還不廣泛。為有效發(fā)揮高速切削的加工效率，在配置高速刀具夾持刀柄系統(tǒng)時(shí)顯得非常重要，傳統(tǒng)的彈簧夾頭、螺釘連接刀柄已不能滿足高速銑削夾持精度高、結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好、傳遞扭矩大等要求，以下為作者總結(jié)的高速刀具及刀柄配置經(jīng)驗(yàn).
    第一、優(yōu)先配置熱脹式刀柄通過(guò)熱脹式加熱儀裝置進(jìn)行加熱，通過(guò)熱脹冷縮的原理對(duì)刀具進(jìn)行夾緊，其回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)對(duì)稱性、動(dòng)平衡性能均較液壓式刀柄好，在歐洲應(yīng)用非常廣泛，尤其適合模具等行業(yè)產(chǎn)品的高速切削加工，該刀柄可達(dá)到40000r/min。其中熱脹式裝刀裝置以德國(guó)Thermal Grip為典型代表。
    其次、液壓式刀柄是高精度、高性能的刀柄夾持柄，其回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和動(dòng)平衡性能均較好，減振性好，可有效提高切削效率和刀具的使用壽命，液壓式刀柄以德國(guó)雄克公司的為典型代表，經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡后轉(zhuǎn)速可達(dá)到25000r/min。
     第三、整體式刀柄，如日本Nikken公司刀柄、奧地利盤石的整體鋁合金銑削刀柄，其結(jié)構(gòu)主要是刀體和刀柄為一體，在經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡測(cè)試調(diào)整后，再安裝銑削刀片進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)節(jié)來(lái)滿足高速銑削加工的需要，整體式刀柄尤其適合模具的高速粗加工和鋁合金高速銑削。其轉(zhuǎn)速一般可以達(dá)到10000～30000r/min之間。
     最后、高速銑削應(yīng)用精密彈簧夾頭刀柄和側(cè)固式刀柄時(shí)，其轉(zhuǎn)速由于本身結(jié)構(gòu)的限制，一般難以達(dá)到20000 r/min，精密彈簧夾頭刀柄一般可達(dá)到12000～15000 r/min，而側(cè)固式刀柄則難以達(dá)到10000 r/min，在高速機(jī)床上盡量少用。
2.高速銑削刀具
    由于高速銑削對(duì)刀具刀柄要求較高，在購(gòu)置高速刀具時(shí)盡量購(gòu)置經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡測(cè)試的刀具，常用的硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、立方氮化硼（PCBN），聚晶金剛石（PCD）在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間磨損后，可應(yīng)用于普通數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。另外一個(gè)方面由于高速切削的安全性，在進(jìn)行工件加工時(shí)一定要注意加工防護(hù)，如40mm直徑刀具，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到30000r/min,其射出的速度可達(dá)到63m/s的速度，接近于230km/h的汽車速度，切削過(guò)程中如出現(xiàn)斷刀摔出，勢(shì)必有較大的沖擊動(dòng)量。同時(shí)對(duì)沒(méi)有把握的刀具刀柄一定要經(jīng)過(guò)高速動(dòng)平衡儀測(cè)試出真實(shí)數(shù)據(jù)，方可進(jìn)行產(chǎn)品加工。此外由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，刀具的長(zhǎng)度在高速環(huán)境下其刀具直徑和長(zhǎng)度與靜態(tài)條件下有所差別，采用激光機(jī)內(nèi)對(duì)刀儀可有效解決數(shù)控編程的刀具工藝參數(shù)的確定，因此在購(gòu)置高速銑削機(jī)床時(shí)，配置激光機(jī)內(nèi)對(duì)刀儀是不應(yīng)少的選項(xiàng)，尤其在進(jìn)行高精度產(chǎn)品的銑削加工時(shí)更能體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。
     高速切削鋼材時(shí)，刀具材料應(yīng)選用熱硬性和疲勞強(qiáng)度高的P類硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、立方氮化硼(CBN)與CBN復(fù)合刀具材料(WBN)等。切削鑄鐵，應(yīng)選用細(xì)晶粒的K類硬質(zhì)合金進(jìn)行粗加工，選用復(fù)合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)復(fù)合刀具進(jìn)行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時(shí)，應(yīng)選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石涂層刀具。高速銑削時(shí)應(yīng)針對(duì)相應(yīng)的材料選擇合適的刀柄和刀具材料，鋁合金高速銑削時(shí)可優(yōu)先選用采用鑲刀片的整體刀柄。