1 引言

3 高速切削刀具技術(shù)現(xiàn)狀

1. 高速切削刀具系統(tǒng)的動(dòng)平衡技術(shù)
   
   刀具系統(tǒng)(刀刃—刀柄—刀盤—夾緊裝置)不平衡會(huì)縮短刀具壽命，增加停機(jī)時(shí)間，并會(huì)增大加工表面粗糙度，降低工件加工尺寸精度和主軸軸承使用壽命。高速切削刀具系統(tǒng)的平衡更為重要。一般來說，對(duì)于小型刀具，平衡修正量只有百分之幾克；對(duì)于緊密型刀具，采用靜平衡即可；對(duì)于懸伸長度較大的刀具則必須進(jìn)行動(dòng)平衡。
   
   引起高速切削刀具系統(tǒng)不平衡的主要因素有：刀具的平衡極限和殘余不平衡度，刀具結(jié)構(gòu)不平衡，刀柄不對(duì)稱，刀具及夾頭的安裝(如單刃鏜刀)不對(duì)稱等。設(shè)刀具在距離旋轉(zhuǎn)中心e(mm)處存在等效的不平衡質(zhì)量m(g)，則刀具不平衡量U(g·mm)可定義為刀具不平衡質(zhì)量與其偏心距的乘積，即U=m×e。設(shè)G為反映刀具平衡量與旋轉(zhuǎn)速度n(r/min)之間關(guān)系的參數(shù)，則
   
   
   
   
   

   G=w×e= pn × U = pUn 30 m 30m

   (1)

   式中：w― 角速度
   
   產(chǎn)生的慣性離心力兀(N )為
   
   
   
   
   

   Fe=me( pn )2×10-6=U( pn2 )×10-6 30 30

   (2)

   
   
   
   
   
   
   
   
   

   圖1 慣性離心力與主軸轉(zhuǎn)速和刀具不平衡量的關(guān)系	圖3 高速切削旋轉(zhuǎn)刀具和刀柄系統(tǒng)平衡要求
   圖2 內(nèi)裝動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)的鏜刀

   
   
   圖1為因刀具不平衡引起的離心力與主軸轉(zhuǎn)速和刀具不平衡量的關(guān)系。離心力會(huì)使主軸軸承受到方向不斷變化的徑向力作用而加速磨損并引起機(jī)床振動(dòng)，甚至可能造成事故。由圖1可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高時(shí)，慣性離心力將以平方倍數(shù)增大。因此，高速切削刀具(主要是旋轉(zhuǎn)刀具)使用前除進(jìn)行靜平衡外還必須進(jìn)行動(dòng)平衡，應(yīng)根據(jù)其使用速度范圍進(jìn)行平衡，以實(shí)現(xiàn)最佳加工效益。對(duì)高速切削刀具進(jìn)行平衡時(shí)，首先需對(duì)刀具、夾頭、主軸等各個(gè)元件單獨(dú)進(jìn)行平衡，然后對(duì)刀具與夾頭組合體進(jìn)行平衡，最后將刀具連同主軸一起進(jìn)行平衡。推薦采用微調(diào)螺釘進(jìn)行精細(xì)平衡，或直接采用內(nèi)裝動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)的鏜刀(見圖2)通過轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償環(huán)移動(dòng)內(nèi)部配重以補(bǔ)償?shù)毒卟黄胶饬�。目前國�?nèi)外尚無統(tǒng)一的刀具平衡標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)采用ISO 1940-1標(biāo)準(zhǔn)中的G值作為平衡標(biāo)準(zhǔn)也有不同看法。國外一些企業(yè)以G1(即刀具以1000Or/min的轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)時(shí)，回轉(zhuǎn)軸與刀具中心軸線的偏心距為1µm)作為平衡標(biāo)準(zhǔn)；有的企業(yè)對(duì)轉(zhuǎn)速6000r/min以上的高速切削刀具以G2.5作為平衡標(biāo)準(zhǔn)。高速切削旋轉(zhuǎn)刀具和刀柄系統(tǒng)的平衡要求可參照?qǐng)D3所示的G1或G2.5標(biāo)準(zhǔn)。
   
   
2. 高速切削旋轉(zhuǎn)刀具的刀柄系統(tǒng)
   
   高速切削時(shí)，為使刀具保持足夠的夾持力，以避免離心力造成刀具損壞，對(duì)刀具裝夾裝置也提出了相應(yīng)的要求。加工中心等NC 機(jī)床多年來一直采用7:24 實(shí)心錐柄工具系統(tǒng)，這種實(shí)心錐柄具有以下缺點(diǎn)：① 由于只靠錐面結(jié)合，刀柄與主軸的聯(lián)接剛性較低，尤其當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過10000r/min 時(shí)，聯(lián)接剛性的不足更為明顯；② 當(dāng)采用ATC( Automatic Tool Changing，自動(dòng)換刀)方式安裝刀具時(shí)，重復(fù)定位精度較低，難以實(shí)現(xiàn)高精度加工；③ 當(dāng)主軸高速回轉(zhuǎn)時(shí)，主軸前端在離心力作用下會(huì)發(fā)生膨脹，易導(dǎo)致主軸與刀柄錐面脫離，使徑向跳動(dòng)急劇增大(可達(dá)15µm ) , 從而降低刀柄接觸剛度，且易發(fā)生安全事故。因此，傳統(tǒng)的長錐刀柄不適宜用于高速切削加工。為解決這一問題，開發(fā)了采用錐部和主軸端面同時(shí)定位的雙定位式刀柄(如德國的HSK空心刀柄、美國KM系列刀柄等)。此類刀柄通過錐部定心，并使機(jī)床主軸端面緊貼刀柄凸緣端面。這種刀柄安裝時(shí)重復(fù)定位精度較高(軸向重復(fù)定位精度可達(dá)0.001mm) ，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力作用下，刀柄會(huì)牢固鎖緊，其徑向跳動(dòng)不超過5µm ，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可保持較高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛性。因此，此類刀柄特別適合高速切削加工。表4 列出了HSK和KM刀柄的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
   
   
   
   
   

   表4 HSK 和KM刀柄的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 刀柄類型 HSK KM 結(jié)合部位 錐面+端面 錐度+端面 夾緊力傳遞方式 簡夾 鋼球 刀具 HSK-63B KM6350 基徑 Ø38mm Ø40mm 柄部形式 空心柄 空心柄 牽引力 3.5kN 11.2kN 夾緊力 10.5kN 33.5kN 過盈量(理論值) 3～10µm 10～25µm 錐度 1/10 1/10

   圖4 HSK 刀柄的結(jié)構(gòu)類型

   
   
   HSK 整體式刀柄采用平衡式設(shè)計(jì)，其刀柄結(jié)構(gòu)形式有A、B、C、D、E、F型(見圖4)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，HSK5O 、HSK63 刀柄適用的主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)25000r/min , HSK100 刀柄適用的主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)12000r/min 。
   
   
3. 高速切削刀具的安全性
   
   切削刀具安全性涉及的主要對(duì)象是高速旋轉(zhuǎn)的銑刀和鏜刀，尤其是高速銑刀，因?yàn)楦咚巽娤魇悄壳案咚偾邢鲬?yīng)用的主要工藝。加工實(shí)踐表明，普通銑刀的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度不能適應(yīng)高速切削的要求，因此高速銑刀安全性的研究更具有緊迫性和現(xiàn)實(shí)性。德國在20世紀(jì)90年代初開始對(duì)高速銑刀安全技術(shù)進(jìn)行研究，并取得了一系列實(shí)用性成果，制定了DIN6589-1《 高速銑刀的安全要求》 標(biāo)準(zhǔn)草案，其中規(guī)定了高速銑刀失效的試驗(yàn)方法和準(zhǔn)則，該標(biāo)準(zhǔn)已成為高速銑刀安全性的指導(dǎo)性文件。高速切削用可轉(zhuǎn)位銑刀的安全性除了刀體強(qiáng)度要求外，還包括對(duì)零件、刀片夾緊等的可靠性要求。高速切削時(shí)，離心力是造成銑刀破損的主要因素，防止離心力造成破壞的關(guān)鍵在于刀體應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。為了能在設(shè)計(jì)階段對(duì)刀具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在離心力作用下的受力和變形情況進(jìn)行定性和定量分析，目前一般利用高速銑刀的有限元(FEM)模型來計(jì)算不同轉(zhuǎn)速下應(yīng)力的大小，模擬刀具失效過程，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。在實(shí)際應(yīng)用中，將模擬設(shè)計(jì)計(jì)算與離心力實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的刀具變形、刀片位移等數(shù)據(jù)建立FEM模型的邊界條件。根據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，可轉(zhuǎn)位銑刀在超高速切削中主要有兩種失效形式：一種是夾緊刀片的螺釘被剪斷，刀片或其它夾緊元件被甩飛；另一種是刀體爆碎。在多數(shù)情況下，首先出現(xiàn)前一種失效，即在較低轉(zhuǎn)速時(shí)出現(xiàn)零件甩飛現(xiàn)象；隨著轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，達(dá)到刀體強(qiáng)度臨界值時(shí)即出現(xiàn)后一種失效。圖5所示為模擬計(jì)算顯示的兩種失效過程與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。在靜止?fàn)顟B(tài)下，刀片的夾緊力對(duì)刀體產(chǎn)生一個(gè)向心變形，隨著轉(zhuǎn)速增加，刀體發(fā)生彈性膨脹，刀片隨刀體一起向外膨脹；同時(shí)刀片的離心力克服螺釘夾緊力，使向心夾緊力和變形量逐漸減小，直至完全脫離刀座的徑向支撐，此時(shí)夾緊已完全失效，即達(dá)到圖5所示曲線上的拐點(diǎn)，通過拐點(diǎn)后刀片開始迅速外移直至甩飛。
   
   
   
   
   

   圖5 失效過程與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

   
   
4. 高速可轉(zhuǎn)位面銑刀的結(jié)構(gòu)
   
   根據(jù)銑刀安全性要求，用于高速切削(n＞600Or/min)的可轉(zhuǎn)位面銑刀通常不允許采用摩擦力夾緊方式，而必須采用帶中心孔的刀片，用螺釘夾緊。與安全性有關(guān)的刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)包括刀片中心孔相對(duì)螺釘孔的偏心量、刀片中心孔和螺釘?shù)男螤畹龋�這些參數(shù)決定了螺釘在靜止?fàn)顟B(tài)下夾緊刀片時(shí)所受預(yù)應(yīng)力的大小。如預(yù)應(yīng)力過大，有可能使螺釘發(fā)生變形，降低夾緊系統(tǒng)失效轉(zhuǎn)速。刀具夾緊方式也可采用帶卡位的空刀槽，以保證刀具的精確定位和高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的可靠聯(lián)接。另外，刀片、刀座夾緊力方向最好與離心力方向一致。夾緊刀片時(shí)應(yīng)施加規(guī)定的扭矩，并使用合格的夾緊螺釘，螺釘擰入前應(yīng)涂敷潤滑劑，以減少夾緊扭矩的損失，此外，螺釘必須定期檢查和更換。
   
   從安全性考慮，刀體的設(shè)計(jì)應(yīng)減輕質(zhì)量，減小直徑，增加高度，選用比重輕、強(qiáng)度高的材料，目前，有的高速銑刀已采用高強(qiáng)度鋁合金制造刀體。刀體上的槽(刀片槽、容屑槽、鍵槽等)會(huì)引起應(yīng)力集中，降低刀體強(qiáng)度，因此銑刀結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免采用貫通式刀槽，減少尖角，防止應(yīng)力集中。同時(shí)，還應(yīng)減少機(jī)夾零件的數(shù)量；刀體結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)稱于回轉(zhuǎn)軸，使其重心通過銑刀軸線；對(duì)于不等分齒銑刀，應(yīng)對(duì)刀體的質(zhì)量分布作相應(yīng)調(diào)整，使刀體膨脹比較均勻；刀片和刀座的夾緊、調(diào)整機(jī)構(gòu)應(yīng)盡可能消除游隙，且應(yīng)保證良好的重復(fù)定位性 。圖6、7、8分別為采用不同刀片夾緊結(jié)構(gòu)的高速面銑刀及允許最大轉(zhuǎn)速。
   
   
   
   
   
   
   

   圖6 刀片不帶孔面銑刀

   圖7 刀片帶孔面銑刀

   圖8 不同結(jié)構(gòu)面銑刀的允許最大轉(zhuǎn)速

   
   
5. 高速切削刀具監(jiān)測技術(shù)
   
   刀具監(jiān)測技術(shù)對(duì)于高速切削加工的安全性十分重要。刀具監(jiān)測技術(shù)主要包括通過監(jiān)測切削力以控制刀具磨損；通過監(jiān)測機(jī)床功率以間接獲得刀具磨損信息；監(jiān)測刀具斷裂(破損)等。目前國內(nèi)外對(duì)高速切削刀具監(jiān)測技術(shù)的研究及開發(fā)應(yīng)用還不夠充分。
   

   4 結(jié)語

   
   
   高速切削技術(shù)是一種先進(jìn)制造技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。高速切削刀具及其相關(guān)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速切削加工的基本條件。因此，應(yīng)重視和加強(qiáng)與高速切削相適應(yīng)的刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)及刀具監(jiān)控技術(shù)的研究和開發(fā)，建立高速切削刀具安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，努力提高我國機(jī)械制造業(yè)的切削加工效率和質(zhì)量水平。