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1、高速切削刀具与机床的接口技术张雷（沈阳理工大学机械工程学院 沈阳 110168）摘要：本文分析了高速切削的特点，介绍了刀具材料,并提出高速切削加工对和刀具系统的要求。而且针对传统刀具系统在高速加工中存在的弊端，分析了适应高速切削加工的刀具系统的接口技术。关键词： 高速切削 接口技术 刀具系统 刀具材料High-Speed Cutting Tools and Machine Interface TechnologyZHANG Lei（College of Mechanical Engineering，Shenyang Polytechnic University，Shenyang 110168）
2、Abstract ：This article analyzes the features of HSC，and introduces the tool materials，and it is presented the require of the tool and the cutting tool system l for HSCAnd combining the drawback of traditional cutting tool system in high speed process，analyzes the interface technology of cutting tool
3、 system adapted to high speed cutting processKey words ：High speed cutting Interface technology Cutting tool system Tool materials0 前言高速切削和高速加工分别简称HSC和HSM，是近十年来迅速崛起的一项先进制造技术。由于高速切削技术使汽车，模具，飞机，轻工业和信息等行业的生产率和制造质量显著提高，加工工艺及装备更新换代，因此如同数控技术一样高速切削和高速加工已成为20世纪机械制造业一场影响深渊的技术革命。目前，适应HSC要求的高速加工中心和其他高速数控机床在发达国
4、家已呈普及趋势，我国近来也在加快发展。1 高速切削技术发展现状与优点 自德国切削物理学家Carl Salomon博士于1929年发表了著名的超高速切削理论, 所罗门原理于1981年申请德国专利以来, 高速切削技术的发展历经了理论探索阶段、应用探索阶段、初步应用阶段和较成熟应用等四个阶段。特是20 世纪80年代后, 各工业发达国家相继投人大量的人力、物力、财力研究开发高速切削设备及相关技术, 发展日新月异。近几年, 随着科学技术的突飞猛进, 使高速切削技术以其高效率、高质量应用于航天、航空、汽车、模具和机床等行业中, 各种切削方式、各种材料几乎无所不能。1.1高速切削的特点1 加工效率高。随着切
5、削速度的大幅度的提高, 进给速度也相应提高510倍、这样一来, 单位时间内材料切除率可大大增加, 可达到常规的36倍, 甚至更高, 加工成本可降低20% 40%。2 刀具切削状况好, 切削力小。由于切削速度高, 吃刀量很小, 剪切变形区窄, 变形系数减小, 切削力降低大概30% 90% 。同时, 由于切削力小, 让刀也小, 提高了加工质量。3 刀具和工件受热影响小。切削产生的95% 98% 热量来不及给工件, 被高速流出的切屑所带走, 故工件和刀具热变形小, 有效地提高了加工精度。4 工件表面质量好。由于切削线速度高, 机床激振频率远高于工艺系统的固有频率, 因而工艺系统振动很小, 加工中鳞刺
6、、积屑瘤、加工硬化、残余应力等也受到抑制, 加工表面质量可提高12级。5 可完成硬质材料和硬度高达HRC4562 淬硬钢的加工。如高速切削加工淬硬后的模具, 可减少甚至取代放电加工和磨削加工, 满足加工质量的要求, 加快产品开发周期, 大大降低制造成本。6 高速切削刀具热硬性好, 且切削热量大部分被高速流动的切屑所带走, 可进行高速干切削, 不用冷却液, 减少了对环境的污染, 能实现绿色加工。2 高速切削加工对刀具与刀具系统的要求 高速切削加工不仅要求切削刀具有很高的刚性、可靠性、适应性、动平衡性和操作方便性，而且对刀具系统与机床接口的连接附性、精度以及刀柄对刀具的夹紧力和夹持精度等均提出很高
7、的要求。(1)性能优异的刀具材料高速切削加工要求刀具材料具有高硬度、高强度和高耐磨性；高韧度、高抗冲击能力；高的热硬性和化学稳定性；高抗热冲击性和抗粘接性等。目前常用的高速切削刀具材料如下：涂层硬质合金刀具。由于使用了耐热性好、硬度高的涂层材料及多层涂敷材料(如CBN涂层和PCD涂层等复合材料新刀具)，扩大了涂层硬质合金刀具的切削范围，延长了使用寿命，其切削性能大大优于非涂层硬质合金。陶瓷也是用于高速切削的刀具材料。其中晶须增强陶瓷刀具是一种特殊性能材料的刀具，由于它具有抗冲击韧度好、抗热冲击性能强的特点，适合于高速切削加工。超硬材料刀具。它主要包括金刚石和立方氮化硼刀具，其中以人造金刚石复合
8、片(PCD)刀具及立方氮化硼复合片(PCBN)刀具占主导地位。例如：在淬硬模具钢的加工中，使用CBN刀具进行高速切削，可起到以铣代磨的作用，大大减少手工修光的工作量，因而大幅度提高加工效率。高速切削刀具材料必须按工件材料和加工特性进行选择，并优化切削参数，才能发挥其优良的切削性能。(2)高的刚度与精度刀具系统刚性的高低将直接影响刀具系统振动和变形，且影响加工精度和效率。同时，系统的振动又会使刀具磨损加剧，影响刀具和机床的使用寿命。为满足高速高精度加工要求，刀具系统必须具有高的精度，即定位夹持精度与刀具重复定位精度以及良好的精度保持性。例如高精度热缩夹头、液压夹头和三棱变形夹头等。(3)高的适应
9、性与互换性刀具系统应具有加工多种硬度材质的能力，具有较高的适应性，以满足高速加工各种工件的要求。对于模块式刀具系统，要求刀具具有较高的柔性，便于调与组装，快速适应不同工件的加工需要。(4)高的效率性刀具系统必须具有高质量、高性能、高可靠性和高使用寿命等特性，以保证高速高效切削加工的技术要求。(5)刀具结构的高度安全性为保证操作过程中人机安全，防止刀具高速旋转时刀片飞出，其结构必须具有高度安全性、可靠性，如采用新型刀片夹紧结构，以防止刀片飞出；刀体小、质量轻型化设计等，并要求确保旋转刀片在2倍于最高转数时不破裂。(6)刀具系统高精度的动平衡性动平衡精度是高速切削刀具系统的重要指标。例如，某些精加
10、工高速铣刀不平衡质量指标达到G25级。若动平衡精度低，高速旋转的刀具会产生很大的离心力，从而引起刀杆弯曲并产生振动，造成工件加工质量下降，严重者甚至损坏刀具。3 高速切削刀具材料的种类 金刚石、立方氮化硼、陶瓷涂层、TiC(N) 基硬质合金等一些新的材料用于超高速切削的刀具。1 金刚石。有天然金刚石和人造金刚石, 天然金刚石刀具主要用于超精密镜面切削, 而更多的金刚石刀具是人造金刚石。人造金刚石又分为3种：1聚晶金刚石(PCD) , 这种金刚石刀具焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高, 抗磨损性和刃口质量较好,抗腐蚀性差；化学气相沉积金刚石（CVD） , 化学气相沉积金刚石厚膜抗腐蚀性好, 机械磨
11、削性、刃口质量和断裂韧性较好, 可焊性差； 利用超高压装置,在14001600 高温下, 人工合成的单晶金刚石,人工合成单晶金刚石刀口质量的抗磨损性和抗喷蚀性好, 焊接性、机械磨削性和断裂韧性差。2 立方氮化硼( CBN)是纯人工合成材料, 化学稳定性优于金刚石, 是高速切削黑色金属的理想刀具材料, 聚晶立方氮化硼(PCBN) 刀坯有2种,高CBN含量的刀具（CBN的含量80% 90%），它具有高硬度、高导热性 低CBN含量的刀具（CBN的含量50% 65%）, 它具有较好的强度和韧性。3 陶瓷刀具主要是氧化铝基 和氮化硅基 两大系列。通过添加各种氧化物、氮化物、碳化物和硼化物, 构成了不同品
12、种和不同性能的陶瓷刀具, 现有40多个品种陶瓷刀具, 大约200 多个牌号。陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性, 硬度可达HRA9395 , 耐磨性能也很好, 可以加工HRC65的高硬度材料, 高温性能, 抗粘结性能、化学稳定性都比较好。陶瓷刀具的缺点主要是强度和断裂韧性较低、脆性较大。4 TiC(N) 基硬质合金是以高耐磨性的TiC+Ni%、高韧性的TiC+WC+TaC+Co 为主体, 以高强韧的TiCN+NbC等TiC(N) 为基的硬质合金, 与WC硬质合金相比, 强度、硬度、韧性和抗崩刃性能得到明显提高, 抗月牙洼磨损和抗粘结能力也显著增强。5 涂层刀具是高速切削应用研究中发展速度很快的刀具
13、。在硬质合金和高速钢刀体上涂敷不同的氮化物、氧化物和硼化物。4 高速加工刀具系统接口技术 高速加工刀具系统接口技术包括刀具和机床接口技术、刀具和刀柄接口技术。41刀具和机床接口技术 刀具与主轴的连接问题处理不好，就会严重影响高速切削的可靠性及机床主轴的动平衡和加工精度，目前它已成为制约机床切削速度提高的环节之一。因此，研究、设计和正确使用刀具与机床主轴的连接装置，是实现高速加工的必要条件。为了克服传统刀柄仅仅依靠锥面定位导致的不利因素，在高速切削机床主轴设计中，对刀具主轴连接宜采用两面约束过定位夹持系统使刀柄在主轴内孔锥面和端面同时定位的连接方法。该系统具有很高的接触刚度和重复定位精度，夹紧可
14、靠。一种是摒弃原有的7：24标准锥度而采用锥度为l：10的短锥柄，另一种是为了降低成本，仍采用现有的7：24锥度而进行改进型的刀柄结构。虽然7：24锥柄具有可与传统BT刀柄互换、安装方便、可提高刀柄与主轴的连接刚度和精度等优点，从有利于提高切削速度发展趋势来看，锥度为l：10的短锥柄结构的前景更为广阔。HSK刀柄结构的锥柄部分采用锥度为l：10的中空短锥柄。当刀柄与主轴连接时，依靠短锥柄在主轴锥孔内定心。当短锥刀柄与主轴锥孔紧密接触时，在端面间尚有01左右的问隙，在拉紧力作用下，利用中空刀柄的弹性变形补偿该间隙，以实现与主轴锥面和端面双面约束定位。此时，短刀柄与主轴锥孔间的过盈量约为310um
15、由于中空刀柄具有较大的弹性变形空间，因此，对刀柄的制造精度要求相对较低。此外，由于该刀具系统柄部短、质量轻，有利于机床自动换刀和机床小型化。但其中空短锥柄结构亦会使系统刚度和强度受到影响。KM刀柄系统是锥度为l：10的短锥空心结构。它采用了三点定位方式，在杆轴向拉力作用下，短锥可径向收缩，实现端面与锥面同时接触定位。由于锥面配合部分有较大的过盈量，比HSK刀柄与主轴锥孔间的过盈量高约25倍，所需的加工精度比标准的7：24长锥配合精度低，主轴锥孔在高速旋转时的扩张小，高速性能好。BIGPLUS刀柄系统采用7：24锥度。当刀柄装入主轴时，保证刀柄主轴与主轴端面的间隙为02左右，锁紧时可利用主轴内孔
16、的弹性膨胀对该问隙进行补偿，以确保刀柄与主轴端面贴紧。该刀柄与主轴的接触面积增大使刚性增强，振动衰减效果提高；端面的定位作用使轴向尺寸稳定。但该刀柄系统由于过定位安装，必须严格控制锥面基准平面与法兰端面的轴向位置精度，与之相应的主轴也必须控制这一轴向精度，使其制造工艺难度大。两面约束夹持系统弥补了传统刀具系统的许多不足，代表了刀具机床接口技术的主流方向。4.2刀具和刀柄接口技术 刀柄对刀具的夹持力的大小和夹持精度的高低，在高速切削中具有十分重要的地位。提高刀具系统夹持精度，就必须设法使刀具得到精密可靠定位，确保足够夹持力，严格控制和提高刀具系统配合精度、加大夹持长度、优化结构设计及合理选材。4
17、21热缩夹头。利用刀柄装刀孔热胀冷缩使刀具可靠夹紧。它是一种无夹紧元件的夹头，结构简单、夹紧力大、回转精度高。422高精度弹簧夹头。该类夹头采用锥角为12。锥套，当旋转螺母压入套筒，使套筒内径缩小而夹紧刀具。这种压入方式可使夹头获得较大的夹持力和较高的夹持精度。423高精度静压膨胀式夹头。通过拧紧加压螺栓提高油腔内的油压，使油腔内壁均匀对称地向轴线方向膨胀，以夹紧刀具。该类夹头夹持精度极高，其径向跳动小于3um。424三棱变形夹头。该类夹头利用夹头本身的变形力夹紧刀具，其自由状态为三棱形。装夹刀具时，由于外力作用使夹头内孔变为圆形；撤消外力后，内孔重新收缩为三棱形，以实现对刀具三点夹紧。该类夹
18、头具有结构紧凑、定位精度高且对称、刀具装夹简单等特点。5 结论 高速切削加工已成为机械制造的主流发展方向，因此，适应高速切削加工的刀具系统技术的研究和开发具有十分重要的意义。而且随着切削速度的大幅提高，对于刀具材料、几何角度、刀体结构及切削参数等提出了不同于普通速度切削的要求，并且对刀具系统也提出了更高的要求。所以应重视和加强优化刀具及切削参数，努力提高我国机械制造业的切削加工效率和质量水平。参 考 文 献1 张伯霖. 高速切削技术及应用.北京：机械工业出版社，2002.82 艾兴.刘战强.黄传真.邓建新.赵军 高速切削综合技术 期刊论文 -航空制造技术2002(3) 3 孙大涌.先进制造技术M北京：机械工业出版社，20004 李伟光.现代制造技术M北京：机械工业出版社，20015 张进春. 高速切削(HSM)技术及其刀具路径 期刊论文-中国高校科技与产业化(学术版)2006年S3期作者简介：张雷，男，1987年出生，本科生，专业方向机械制造。E-mail:：