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高速切削加工中的刀具技术

摘要：高速切削加工切削速度、进给速度和加速度提高近一个数量级，对刀具技术提出新的要求并促进其不断发展。文章分析了由于旋转离心惯性力大幅度增大引起的刀具与夹紧装置机械故障及其预防保护措施，概括了高速切削常用的刀具材料、应用范围及制造新技术，归纳了加工中缓解刀具寿命下降的工艺措施，介绍了新型的激光刀具检测系统的性能、工作原理和优点，表明刀具技术的综合性、系统性。

高速切削(HSC)加工中，切削线速度高达普通切削线速度的5～10倍，使机床主轴转速常在20000～30000r/min 以上，进给速度随之上升至15～50m/min或更高，并要求进给轴的运动加速度、CNC系统的控制速度与功能乃至CAD/CAM系统的速度与功能都相应提高增强。

机械运动参数数值提高近一个数量级，对工艺装备中运动部件的物理力学性能和结构提出了不同寻常的高要求。本文以下集中讨论由此而引起的刀具技术的革新与发展。

1 刀具系统的机械故障与预防保护措施

机械零部件的旋转离心惯性力随着转速升高以二次方规律增大，造成生产实践中高速切削刀具系统发生特殊的、不同寻常圆筒的机械故障，主要有以下几种形式：

如果主轴头部壁厚差别较大，当离心惯性力大幅度增大后，薄壁处刚度低径向扩张量显著增大，使刀柄径向晃动、无法定位，同时可能发生轴向错位移动而深入主轴，如图1所示。

图1 刀柄无法定位和传递动力

如果刀体(刀盘)结构有明显薄弱之处，在很大的离心惯性力作用下会发生爆裂。

在离心惯性力作用下，刀片和紧固楔块可能发生径向位移而增大旋转半径，或者刀片紧固螺钉被剪断。这是高速切削刀具容易发生的主要机械故障。

可见，要预防和避免以上机械故障，首先要尽可能减小离心惯性力，尤其是不平衡离心惯性力。在此条件下，再进一步增强刀具与夹紧装置的强度、刚度和稳定性。离心惯性力分别与旋转质量和旋转半径的大小成正比，因此对刀具与夹紧装置的基本要求是不平衡质量小，在工作旋转时的实际同轴度高，结构设计安全可靠，保证在高转速下能够正常工作。HSC 加工中需要采取以下具体措施：

1) 在制造过程中，刀具与刀柄夹紧装置经过严格的静、动平衡，各自的不平衡质量大小必需降低到低于DIN/ISO 1940标准规定的数值；

2) 采用不平衡质量小、夹紧力大的液压弹力夹头刀柄、热压装配刀柄以及与刀具一体的刀柄：

3) 必要时采用全套、实时可调动平衡刀柄及附件装置，但其价格昂贵：

4) 刀具实际工作的转速，不超过刀具与刀柄夹紧装置制造厂家注明的允许最高转速，必要时可选用直径较小的刀具与刀柄夹紧装置来提高允许最高转速：

5) 采用新型的HSK 系列短锥空心刀柄或更先进的空心杆刀柄，代替传统的ISO(SK)刀柄，以提高刀具轴向和径向定位精背景资料：度、轴向刚度，并具有过载保护作用；

6) 采取其它有利于提高刀具与夹紧装置的强度、刚度和稳定性的结构设计措施，例如用力锁紧机构来增强或代替形状锁紧机构；

7) 安装防护罩和防弹玻璃，保护机床操作人员不受刀具与夹紧装置破裂碎片的伤害。

2 刀具材料

高速切削常用的刀片材料，有涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石。

碳化钨(WC)为基的涂层硬质合金分为P、M、K 三大类，可用于高速切削各种黑色和有色金属以及非金属材料，并且价格实但是中国的新材料产业与世界先进国家相比惠，应用最普遍。主要局限是切削速度不能太高，刀具耐用度较低。

其中涂层材料，主要分为钛的化合物(TiC，TiN，TiCN，TiAlN，TiNAlOX)和铝的化合物(Al2O3，AiON)两大类。实际应用当中，可以将两类涂层材料或者不同的钛化合物搭配起来构成2层或3层涂层，由内向外各层分别具有抗摩擦、防扩.2D激振阀连续旋转驱动电液激振器实现往复震动散、润滑等作用，能够显著增强硬质合金刀具的切削能力并延长寿命。如果在TiN或TiAlN硬涂层外覆盖上二硫化钼(MoS2)软涂层，并注意主切削刃不要被叶滤机覆盖，可以提高刀具耐用度1至2倍。国外正在研究钇、钒类新的涂层材料。经过不断研究改进，金刚石薄膜涂层刀片已经越来越多地进入市场，并且正在开发立方氮化硼薄膜涂层刀片。

TiCN基质刀片又称为金属陶瓷，是一种先进的硬质合金材料，能够承受比WC硬质合金较高的切削温度，在高速切削下的耐高温和耐磨性好、寿命长，工件加工表面光洁。它化学稳定性高，抗氧化抗扩散，几乎没有生成积屑瘤和发生切屑粘接的危险，包括切削软而粘性的材料时。国外最近开发出以纯钴作粘结剂的金属陶瓷刀具，可用于加工高速钢。根据粗略估计，金属陶瓷在日、美等国的应用占全部刀具材料总量的20%以上。它的局限在于性脆，韧性、强度、耐冲击性均不如WC硬质合金，且导热能力不强，主要用于钢和铸铁小切削深度和小进给量的高速精加工。

HSC线速度及转速高，刀具尺寸向小型化发展。这时，小直径棒铣刀、钻头的刀刃和刀杆如果采用相同的硬质合金材料整体制造，既方便又可以提高刀具的强度和刚度，缺点是成本较高。立方氮化硼(CBN)是一种性能优良的人工合成刀具材料，但和金刚石一样，刀片价格昂贵，只有用于高速硬切削淬硬钢时才能够显示出其经济性。此外，氧化物陶瓷、金属陶瓷以及某些涂层硬质合金刀具材料也可用于硬切削淬硬钢工件。

另一种超硬刀片材料金刚石(PCD)，适合于高速切削(2500～5000m/min)有色金属尤其是含硅铝合金，以及非金属的复合地板面料。添加硅元素可以改善铝合金的浇铸性能或提高地板的耐磨性，但它对刀片有很强的磨蚀作用，只有非常耐磨的金刚石特别是单晶金刚石刀片例外。无论金属陶瓷、陶瓷、CBN还是PCD，都比WC硬质合金脆得多，因此用这些材料制成的刀片不能够经受太大压力，需要通过结构设计加强支撑、合理地分散压力。

3 缓解刀具寿命下降的工艺措施

随着切削速度和进给速度大幅度提高，HSC加工中刀具的寿命普遍降低，需要从以下各方面采取措施，尽可能减少刀具寿命的降低。

根据工件材料选用合适的刀具材料。针对不同工件材料进行的切削试验结果表明，选用不同刀具材料后其使用寿命差别很大，甚至超过一个数量级。本文上节一般介绍了HSC加工常用的刀具材料及其应用范围。问题是工件材料和刀具材料的品种、牌号、生产厂家均浩繁庞杂，要从中筛选出最优的具体组合，只能通过试验和长期积累使用经验。

根据工件材料优化刀具几何参数。通过试验切削发现，适当增大刀刃的后角、尽可能缩短刀具的悬伸长度以及HSC加工铸铁件时适当增大刃口圆弧半径，都可以提高刀具的相对寿命。

根据工件材料优化切削参数，包括切削速度vc，每齿进给量fz和径向切深。图2试验结果表明，随着工件-刀具材料组合的变化，以刀具相对寿命最长为目标的vc、fz和刀具径向切深最佳数值也发生变化，并且它们之间存在一定的牵连关系。

图2 切削参数对刀具寿命的影响

优化切削几何关系，合理选取球头铣刀轴线相对于工件表面法线的倾角βf。图3球头铣刀轴线在进给平面中沿进给方向向前倾斜一定角度实行拽切(牵拉铣削)时，刀具的相对寿命最高，而且可以大大降低已加工表面粗糙度。

图3 球头铣刀轴线倾斜方向

选取有利的走刀路线。例隔膜泵如图4中半圆攻关团队完成了元件、细节件、1米级、3米级、6米级曲面壁板实验件研制和实验柱曲面，可以采用几种不同的走刀路线加工出来。经过试切，选取拽切和顺铣结合的走刀路线时刀具相对寿命最高，已加工表面粗糙度也较低，但空刀路程比拽、钻和顺、逆交替铣削的走刀路线长得多。

图7 铣削曲面走刀路线

采用最小量冷却润滑。根据统计，切削加工中用于冷却润滑的开支甚至可能超过用于刀具的开支。出于节约和保护生态环境的考虑，欧美工业国家正在大力研究推广干切削加工技术，即最小量(