一、前言
    數(shù)控高速切削制造技術(shù)促進了機械冷加工制造業(yè)的飛速發(fā)展，革新了產(chǎn)品設(shè)計概念，如通過采用整體件加工取代零部件的分項制造裝配，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，推動了企業(yè)技術(shù)進步。但目前國內(nèi)存在相當一部分高速機床因各方面的原因并沒有達到理想的效果，如刀具配置跟不上而低速使用，高速電主軸因長期受重載荷或使用不當造成壽命低下，企業(yè)高速切削工藝參數(shù)庫及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)的工藝流程沒有有機結(jié)合，沒有充分發(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。
    高速銑削機床的特點，采用主軸運動結(jié)構(gòu)實現(xiàn)載荷的平穩(wěn)，減小工作臺由于運動的慣性，尤其是當工作臺承載較大時，工作臺本身和工件的運動載荷對高速切削極容易引起沖擊，機床結(jié)構(gòu)的新穎性對高速切削有著重要的影響，傳統(tǒng)機床依靠工作臺移動實現(xiàn)機床的XY方向的移動不是很適合高速切削。高速機床有瑞士Mikron公司VCP710、美國Cincinnati公司HyperMach五軸加工中心、日本Mazak公司SMM－2500UHS、德國Roders公司RFM1000、意大利FIDIA公司KR214六坐標加工中心、FIDIA公司D218五坐標加工中心等，其主軸轉(zhuǎn)速及工作進給如表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。對于鋁合金銑削可達到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 KR214五坐標高速銑削加工中心機床及機床驗收標準試切產(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，主軸、刀柄及刀具在高速旋轉(zhuǎn)情況下，較小的偏心就會產(chǎn)生較大的離心力，由振動引起產(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)主要有德國的HSK刀柄、美國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定位的方式，實現(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，刀具刀柄的不平衡力小于切削力時，不影響刀具的使用壽命和切削效率。
    根據(jù)高速切削的動平衡規(guī)定，主軸轉(zhuǎn)速至少要達到8000 r/min以上。其進給速度至少大于20m/min。50柄轉(zhuǎn)速達到10000～20000 r/min，40柄以及HSK刀柄20000～40000 r/min，KM刀柄達到35000 r/min以上。由于高速銑削動平衡的要求，在配置高速銑削刀柄刀具時優(yōu)先配置經(jīng)過動平衡測試的刀具系統(tǒng)，其次用戶可以自行采用動平衡機及調(diào)整系統(tǒng)進行動平衡調(diào)節(jié)，但其使用非常麻煩。美國Kennametal公司推出了一種通過調(diào)節(jié)主軸系統(tǒng)的自動平衡刀柄系統(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.
    第一、優(yōu)先配置熱脹式刀柄通過熱脹式加熱儀裝置進行加熱，通過熱脹冷縮的原理對刀具進行夾緊，其回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)對稱性、動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，該刀柄可達到40000r/min。其中熱脹式裝刀裝置以德國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)對稱性和動平衡性能均較好，減振性好，可有效提高切削效率和刀具的使用壽命，液壓式刀柄以德國雄克公司的為典型代表，經(jīng)過動平衡后轉(zhuǎn)速可達到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)過動平衡測試調(diào)整后，再安裝銑削刀片進行動平衡調(diào)節(jié)來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，其轉(zhuǎn)速由于本身結(jié)構(gòu)的限制，一般難以達到20000 r/min，精密彈簧夾頭刀柄一般可達到12000～15000 r/min，而側(cè)固式刀柄則難以達到10000 r/min，在高速機床上盡量少用。
2.高速銑削刀具
    由于高速銑削對刀具刀柄要求較高，在購置高速刀具時盡量購置經(jīng)過動平衡測試的刀具，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)過長時間磨損后，可應(yīng)用于普通數(shù)控機床進行加工。另外一個方面由于高速切削的安全性，在進行工件加工時一定要注意加工防護，如40mm直徑刀具，主軸轉(zhuǎn)速達到30000r/min,其射出的速度可達到63m/s的速度，接近于230km/h的汽車速度，切削過程中如出現(xiàn)斷刀摔出，勢必有較大的沖擊動量。同時對沒有把握的刀具刀柄一定要經(jīng)過高速動平衡儀測試出真實數(shù)據(jù)，方可進行產(chǎn)品加工。此外由于高速運轉(zhuǎn)時，刀具的長度在高速環(huán)境下其刀具直徑和長度與靜態(tài)條件下有所差別，采用激光機內(nèi)對刀儀可有效解決數(shù)控編程的刀具工藝參數(shù)的確定，因此在購置高速銑削機床時，配置激光機內(nèi)對刀儀是不應(yīng)少的選項，尤其在進行高精度產(chǎn)品的銑削加工時更能體現(xiàn)其優(yōu)勢。
     高速切削鋼材時，刀具材料應(yīng)選用熱硬性和疲勞強度高的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)選用細晶粒的K類硬質(zhì)合金進行粗加工，選用復(fù)合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)復(fù)合刀具進行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時，應(yīng)選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石涂層刀具。高速銑削時應(yīng)針對相應(yīng)的材料選擇合適的刀柄和刀具材料，鋁合金高速銑削時可優(yōu)先選用采用鑲刀片的整體刀柄。