浅谈高速切削中刀具的选择

浅谈高速切削中刀具的选择

【摘要】高速切削技术目前在机械加工领域占有十分重要的地位，在高速切削中刀具的选择直接关系到机械加工的质量，本文对高速切削中刀具的发展现状以及刀具材料的选择，和在数控加工中的应用情况进行了简要探讨。

【关键词】高速切削；刀具；材料选择

1 高速切削技术的优势

高速切削技术具有加工效率高、精准度高、成本低等特点，目前在机械加工领域有着广泛的应用。高速切削加工的具体优势如下：

1.1 在生产效率上有很大的提高。

1.2 切削力有一定程度的降低。尤其是径向切削分力大幅度减少，特别有利于提高薄壁件、细长件等刚性差的零件的加工精度。

1.3 由于95％-98％以上的切削热来不及传给工件而被切屑带走，故特别适合于加工容易热变形的零件；

1.4 高速切削时，机床的激振频率特别高，远离了工艺系统的固有频率，因而工作平稳，振动小，加工的零件表面质量高。

1.5 适用于很多难加工的材料。

1.6 加工成本降低。

2 高速切削刀具选择的重要性

高速切削加工中刀具的选择时基础，是保证机械加工质量的关键。在加工中尤其要注意刀具的选择，如果选择了不适合的刀具，

会导致机械加工的效率和质量都有所降低。由于高速切削的切削速度快，而高速加工线速度主要受刀具限制，因为在目前机床所能达到的高速范围内，速度越高，刀具的磨损越快。因此，高速切削对刀具材料提出了更高的要求，除了具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还应突出要求高速切削刀具具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠性。高速切削技术的发展在很大程度上得益于超硬刀具材料的出现及发展。目前常用的高速切削刀具材料有：聚晶金刚石（pcd）、立方氮化硼（cbn）、陶瓷、涂层刀具、超细晶粒硬质合金等刀具材料。

3 高速切削刀具材料的要求

3.1 刀具材料的基本性能要求

刀具的选择是加工的基础，而材料的选择是刀具的基础。刀具材料对机械加工的质量有着直接的影响，而且对刀具本身的寿命也有很大作用。刀具切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等作用，因此，刀具材料应具备如下一些基本性能：（1）硬度和耐磨性：刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求在hrc60以上。一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。（2）强度和韧性：刀具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃。（3）耐热性：刀具材料的耐热性要好，能承受高的温度，具备良好的抗氧化能力。（4）工艺性能和经济性：刀具材料应具备好的锻造或者其他成型性能、热处理性能、焊接性能、磨削加工性能等，并具有较高的性能价格比。

3.2 高速切削加工对刀具材料的要求

刀具技术是实现高速切削加工的关键技术之一。高速切削加工时切削温度很高，因此，高速切削刀具的失效主要取决于刀具材料的热性能（包括刀具的熔点、耐热性、抗氧化性、高温力学性能、抗热冲击性能等）。高速干切削、高速硬切削和高速切削黑色金属时，最高切削速度主要受刀具材料耐热性的限制。例如，高速加工钢、铸铁等黑色金属时，最高切削速度只能达到加工铝合金的1／5～1／3，其原因是切削热使刀尖发生热破损。在高速切削加工低导热性和高硬度材料（如耐热镍基合金及高硬度合金钢等）时，易于形成锯齿状切屑，而高速铣削过程中则会产生厚度变化的断续切屑，它们都会导致刀具内热应力高频率地周期变化，加速刀具磨损。因此，高速切削加工除了要求刀具材料具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还特别要求刀具材料具备高的耐热性、热冲击性、良好的高温力学性能以及高的可靠性。

4 刀具组件的平衡

高速切削时刀具组件的平衡高速切削加工对刀具组件的平衡性能提出了很高要求。首先，任何旋转体在转动过程中都要受到离心力的作用f=mm2，公式中m代表旋转体的质量，r代表重心与轴心间的距离，w代表角速度。如果旋转体完全处于平衡状态，也就是说重心与轴心一致，即可看出离心力f=0。如果旋转体处于非平衡状态，也就是重心与轴心不同轴时，那么旋转体在高速旋转时将受到很大的离心力作用。因此，旋转体变速旋转时的离心力作用如果

刀具处在这种情况下，将会明显地降低刀具的性能，使刀杆弯曲并产生振动，过量的振动将导致径向跳动问题，从而缩短刀具寿命，增加停机时间并会增大加工表面粗糙度，降低工件加工尺寸精度.其次，毫无疑问，代价最高也是最费时的问题是主轴部件的损坏。不平衡的刀具组件会对主轴轴承施以附加的负荷。并且离心力会使主轴轴承受到方向不断变化的径向力的作用，从而使轴承早期磨损或失效，并引起机床振动，甚至可能造成事故。所以，我们在高速切削时必须对刀具组件充分地进行平衡，以消除有害的动态不平衡力。

当我们在对刀具组件进行平衡时，应该考虑可能产生不平衡的诸多因素，以及如何能将其负面影响降至最小的限度。在刀具组件中，某些不平衡的因素可以通过改进设计或精心选择刀具和刀夹的组合形式而得到纠正。意思是将刀具设计成完全对称的，这样就可以消除不平衡力。但是，对于可调的刀夹及不对称的刀具就必须有一套调平衡的结构了。将刀具组装起来用于高速切削时，如果是采用大锥度刀夹，因它具有许多可能产生的不平衡因素，则无论其设计或是调平衡零件都要加以精心考虑。

在刀具组件的平衡中，刀夹是对刀具组件平衡影响最大的零件。有两种刀夹型式可用于高速切削的：事先平衡好的以及可调平衡的。事先平衡好的刀夹在设计时已考虑平衡了，它不能补偿由刀具组件中其他零件所引入的任何不平衡量。但我们还是必须认真考虑这些来自其他零件的任何不平衡量，将其测量出来，如果需要，并

将其调整到所需的主轴转速下进行工作。可调平衡刀夹是在设计时就己考虑其平衡的，但它可以对由刀具组件的其他零件所引入的不平衡量进行调整补偿。制造商们采取了一系列补偿措施加以平衡其刀夹。这些措施包括采用螺钉、钢球、调整环和调整块来进行调整。但是，可调平衡刀夹补偿刀具组件的不平衡量的能力也是有限的。有时，为了使刀夹达到平衡，其不平衡量实在太大了，以致于机床无法在所要求的转速下工作。当发生这种情况时，只有降低主轴转速，或者，如果可能，重新设计刀具组件的结构。

另外，刀具组件的高速性能还受大锥度刀夹的锥度公差的影响。大锥度刀夹的锥度精度等级是遵循iso 1947标准的，锥度等级明确规定了主轴锥孔及锥柄的公差，锥度等级对刀夹的平衡及刀具的振摆都有明显的影响。机床主轴就是按照atz或更高的精度等级制造的。除了锥度公差以外，还需考虑在刀具组件中的其他允差。每项允差都必须归结到刀尖上的系统偏心来加以考虑。只有这样，才能充分理解不平衡力的作用情况。

总的来说，高速切削加工中刀具是有重要影响力的一部分，要根据不同情况选择适合的刀具以及合适的刀具材料，同时，还要引起对刀具组件平衡性的重视，使高速切削加工有更高的质量和效率。