高速切削加工与刀具技术

高速切削加工与刀具技术

林明山

（漳州职业技术学院 机械与自动化工程系，福建 漳州363000）

摘 要：根据高速切削的特点，高速切削的加工对刀具的要求，介绍刀具材料的选用、刀柄的改进、刀具的结构及刀具的安全性等刀具技术。

关键词：高速切削 刀具材料 刀柄 刀具的安全性

中图分类号：TG506.1 文献标识码：A 文章编号：1672－4801（2007）04-33-04

1 概述

早在20世纪30年代，德国切削物理学家Carl Salomon根据实验提出了高速切削的概念，他指出切削速度与工件的材料有关，每一种材料都存在一个切削速度范围，在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高，由于切削温度太高任何刀具都不能承受，切削就不可能进行，这个范围被称为“死谷”。但切削速度增大到某一数值后，即若越过这个“死谷”，切削速度再增大，切削温度反而降低，刀具磨损随切削速度增大而减小。 他的理论推动了对高速切削的研究，自二十世纪八十年代起，高速加工技术在传统切削加工技术、自动控制技术、信息技术和现代管理技术的基础上逐步发展成为一门综合性系统工程技术，包括：软切削、硬切削、干切削、大走刀切削等配套技术，而不是一种简单的高切削速度加工。由于传统机械加工主要存在资源利用率不高、对环境污染大、损害人体健康等三个缺陷。因此国际上提出了以硬切削（切淬硬钢件），干切削（无冷却液）为代表的绿色机械加工的新概念。但到目前为止，世界各国对高速切削的速度范围尚未有明确的定义，通常把切削速度比常规高5至10倍以上的切削称为高速切削。

高速切削加工由于切削机理不同，因此具有许多优越性：①加工效率显著提高，单位时间的金属材料切除率提高了30%～60%；②加工中切削力明显降低，采用3500r/min以上时，进刀量可达到5mm/r以上；③切削热对工件的影响减小到几乎可以忽略；④高速加工中刀具切削的激励频率和机床的工艺系统的固有频率相差甚大，不会产生机床工艺系统的受迫振动，保证了机床的良好加工状态，从而保证了工件的加工精度。⑤加工工件的硬度范围大，可达HRC45以上，可作为部分电火花型腔加工的替代工序，提高了模具产品的整体效率；⑥更大的切削速度，这样在刀具与工件表面可实现轻切削的加工方式。

在高速切削技术中刀具是最重要的因素之一，由于高速切削加工离心力和振动的影响，要求刀具应有很高的几何精度、装夹重复定位精度、刚度和高速动平衡的安全可靠性，以及高速加工过程中要承受高温、高压、摩擦、冲击等载荷。传统的7:24锥度刀柄系统在进行高速切削时表现出明显的刚性不足、重复定位精度不高、轴向尺寸不稳定等缺陷，主轴的膨胀引起刀具及夹紧机构质心的偏离，影响刀具的动平衡能力。因此，在高速切削加工过程中要解决的刀具方面问题有：

(1)对刀具要求的提高，应如何合理选用制造刀具的材料及改进刀具的结构。

(2)针对刀具失效的加快，在高速加工中设定不合适的参数选择，将导致加工中的各种不良因素的产生，影响加工，应如何合理选定切削参数及与切削材料相适应的刀具材料？

(3)对主轴在高速的运转下刀具的安全保障问题。

2 高速切削的刀具技术

2.1 高速切削刀具材料的选用

用于高速切削加工的刀具，必须选用耐磨性优异的高硬度材料制作。目前，高速切削刀具材料应用较多的如金刚石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、陶瓷刀具、涂层硬质合金、（碳）氮化钛硬质合金TIC（N）等。涂层硬质合金在高速加工中应用最为广泛，对耐热合金、钛合金、高温合金、铸铁、纯钢、铝合金及复合材料的高速切削加工耐

磨性较高，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。为提高刀具硬度和表面光洁度，刀具制造采用涂层技术。用于高速切削的涂层材料刀具可按加工不同材质分，主要有，①加工铸铁的立方氮化硼和氮化硅涂层刀具，②加工洛氏硬度达42的合金钢的氮化钛和碳氮化钛涂层刀具，③加工洛氏硬度42甚至更高的合金钢的氮化钛铝和铝氮化钛涂层刀具。④切削加工Ni基超耐热合金的陶瓷、添加SiC 增强纤维的FRC陶瓷刀具等。涂层技术由单一涂层发展为多层、多种材料混合涂层(或多层不同材料)，并成为提高高速切削能力的关键技术之一。刀具直径在10～40mm范围内，且有碳氮化钛涂层的硬质合金刀片，能够加工洛氏硬度小于42的材料，而氮化钛铝涂层的刀具能够加工洛氏硬度为42甚至更高的材料。

高速加工中必须根据工件材料和加工性质来选择合适的刀具材料。例如，陶瓷、金属陶瓷及PCBN等刀具材料，适用于对钢、铁等黑色金属的高速加工；PCD和CVD等刀具材料，适用于对铝、镁、铜等有色金属的高速加工；聚晶立方氮化硼刀片(PCBN)，硬度达3500～4500HV，应用于切削淬硬钢；聚晶金刚石(PCD)刀片，硬度可达6000～10000HV，应用于车刀、铣刀、钻头等加工有色金属，有时也应用于切削黑色金属；对复合材料的铣削加工，选择金刚石材料的刀具，其效率和精度比普通硬质合金要好；对钛合金的切削加工，选择涂层硬质合金和YG8的普通硬质合金的刀具比较理想；对铸件，当切削速度低于750m/min时，可选用涂层硬质合金、金属陶瓷；切削速度在510～2000m/min时，可选用Si3N4陶瓷刀具；切削速度在2000～4500m/min时，可使用CBN刀具；对于高硬度钢(HRC40～70)的高速切削刀具可用金属陶瓷、陶瓷、TiC涂层硬质合金、PCBN等。另外，高速铣削铝合金材料时避免采用物理气相沉积(PVD)涂层刀具，因为TiAlN涂层很易与铝产生化学反应，可以选用非涂层刀具，细晶金刚石涂层或类金刚石涂层刀具。

2.2高速切削刀柄的选用

由于传统的刀柄为7:24锥度，在进行高速切削时表现出明显的刚性不足、重复定位精度不高、轴向尺寸不稳定等缺陷。为解决这个问题，相继开发了刀柄与主轴内孔锥面和端面同时贴紧的两面定位刀柄。目前应用较多的是HSK高速刀柄和国外现今流行的热胀冷缩紧固式刀柄。热胀冷缩紧固式刀柄有加热系统，刀柄一般都采用锥部与主轴端面同时接触，其刚性较好，但是刀具可换性较差，一个刀柄只能安装一种连接直径的刀具。

适合高速切削加工的刀柄系统有，①ER弹性夹套 ，这种刀柄系统是当前较流行的。由于其性价比较高，在欧美及我国市场广泛认同。尽管其价格高于PG/TG弹性夹套，但因其精度高，所以适合于高速切削加工。特点是同心度较好、本体直径相对小、夹紧力大、需要一个平衡的螺帽系统以及不同类型的密封圈。②热缩式刀柄 ，这种刀柄系统对所夹持的刀具有一定的要求，并需特殊的设备，但它的特点是同心度较好、本体直径相对小、离心力低、材质均匀、夹紧力大；动平衡度高、本体经热处理及需有加热系统。③强力铣夹刀柄 ，这种刀柄系统大多适于夹持大直径刀具。特点是同心度好、夹紧力大。 ④高精度

HP(High Preoi-sion)夹套 ，这种刀柄系统尽管与ER弹性夹套相似，但夹紧方式是通过定位而不是螺纹，其精度可提高3倍，其价格比液压夹套低。特点是同心度好、夹紧力大、本体直径小、易于清洗、离心力小、易做动平衡。⑤液压刀柄，这种刀柄系统采用了液压技术，所以装卸方便，定位准确。特点是同心度好、本体直径小、易于清洗、离心力小。

2.3刀具的结构改进

在高转速时刀具的动平衡是确保刀具以正常的切削速度进行加工的条件之一。如果存在不平衡，当转速增加一倍时，离心力将增加到原来的4倍，因此高速铣削刀具结构应按动平衡要求设计。在刀体结构上，应注意避免和减小应力集中，刀体上的槽（包括刀座槽、容屑槽、键槽）会引起应力集中，降低刀体的强度，因此应尽量避免通槽和槽底带尖角。同时，刀体的结构应对称于回转轴，使重心通过铣刀的轴线。刀具的前角比常规刀具的前角要小，后角略大。主副切削刃连接处应修圆或导角，来增大刀尖角，防止刀尖处热