高速切削刀具加工介绍及平衡质量

　　从目前的试验看，随着切削速度的逐步提高，切削时的变形规律发生一些改变。切屑中的剪切变形逐渐加剧，剪切区的滑移逐渐加强，即使是塑性材料的切屑形态，也会组建逐渐从带状切屑转变为锯齿状切屑，进而有可能进一步转变为单元状切屑。 

　　由于在高速切削的条件下切屑会由带状切屑转变为单元切屑，切屑与前刀面的摩擦将不再是切削力和切削热的主要来源之一；同样由于切削速度的提高，后刀面处工件材料的弹性变形也将由于变形速度逐渐跟不上切削速度而减少，后刀面的摩擦也因此而减少，从而对降低切削力和切削热产生有利的影响。因此在高速切削时，主要的切削热将由切屑导出，而工件和刀具的温升都非常小，因此高速切削也被成为“冷态切削”。 

　　1．高速加工的基本情况 

　　高速切削的研究历史，可以追溯到20世纪30年代由德国Carl Salomon博士首次提出的有关高速切削的概念。Salomon博士的研究突破了传统切削理论对切削热的认识，认为切削热只是在传统切削速度范围内是与切削速度成单调增函数关系。而当切削速度突破一定限度以后，切削温度不再随切削速度的增加而增加，反而会随切削速度的增加而降低，即与切削速度在较高速度的范围内成单调减函数。Salomon博士的研究因第二次世界大战而中断。50年代后期开始，高速切削的试验又开始进入各种试验研究，高速切削的机理开始被科学家们所认识。1979年开始由德国政府研究技术部资助、德国Darmstadt大学PTW研究所牵头、由大学研究机构、机床制造商、刀具制造商、用户等多方面共同组成的研究团队对高速铣削展开了系统的研究。除了高速切削机理外，研究团队同步研究解决高速铣削中机床、刀具、工艺参数等多方面的应用解决方案，使高速铣削在加工机理尚未得到完全共识的情况下首先在铝合金加工和硬材料加工等领域得到应用，解决模具、汽车、航空等领域的加工需求，从而取得了巨大的经济效益。 

　　2．刀具的平衡质量 

　　物理学原理表明，旋转中的质点的离心力与质点的质量、质点与旋转轴的距离以及旋转的角速度(或者转速)的二次方成正比，即 

　　F=mω2r 

　　式中：F为离心力(N)，m为不平衡质量(kg)，ω为角速度(rad/s)，r为不平衡质量m所在半径(m)。 

　　由于ω=2πn/60(n为转速，r/min)，则离心力的大小可改写为： 

　　F=m(2πn/60)2r≈mn2r/100 

　　也就是说，如果转速增加1倍，离心力将增大到原来的4倍。这就意味着在高的旋转速度下，刀具的加工精度和寿命都可能受到离心力的严重影响。 

　　某精密镗刀制造商提供的数据说明了这一问题。他们选择两把镗刀进行试验，其中只有一把精镗刀预先进行过动平衡。这两把镗刀在5000r/min时所加工孔的的圆度没有什么差别，都是1.1μm，这些误差主要由于机床工具系统的精度造成；而当转速提高1倍到10000r/min时，情况就明显不同了。经过平衡的镗刀所加工出的孔的圆度比5000r/min时略有增加，为1.25μm，而未经平衡的镗刀所加工出的孔的圆度比5000r/min时增加很多，达到6.30μm，是经过平衡调整的镗刀的5倍多。 

　　在刀具制造完成后，其不平衡量U=mr已经确定。然而在实际操作中，我们很难得到这个不平衡质点的质量和位置，但我们可以用整个回转体(如刀具)的质量以及整个回转体的质心与回转中心的距离的乘积来描述刀具的不平衡量，称为残余不平衡量U，这个不平衡量是我们度量回转体平衡水平的工具： 

　　U=mr=Me 

　　式中：U为残余不平衡量(g·mm)，m为残余不平衡质量(g)，r为残余不平衡质量m所在半径(mm)，M为回转体质量(kg)，E为残余不平衡量产生的重心偏移(μm)。 

　　德国制定了一个平衡品质等级G的标准，以单位质量的残余不平衡量eper和转速n来衡量回转体的平衡等级，并规定了从G0.4至G250的一系列平衡品质等级。即 

　　G=(eper×ω)/1000=(eper×n)/9549≈(eper×n)10000 

　　eper=U/M 

　　我们可以按照这一标准的指导，进行下列操作： 

　　(1)已知使用的nmax和G，可求出eper，再算出转子的许用不平衡量Uper，指导平衡操作。 

　　(2)已知转子的U值，可根据所要求的G值，限定能使用的nmax。 

　　(3)已知转子的U值，规定所能使用的nmax及对应的G值。 

　　通常认为，对于高速切削的刀具，其平衡品质等级应不低于G16(即在10000r/min时其单位质量的残余不平衡量eper不超过16μm)，而残余不平衡量产生的重心偏移e的最小值可以规定为2～5μm(把刀具系统安装在机床主轴上时，可能产生的偏心量作为2～5μm，把刀具的许用不平衡度校正到小于该值已无必要)。 

　　3．刀具的平衡方法 

　　对于高速旋转下的刀具必须进行平衡。按照平衡理论，回转体的不平衡可以分为三种： 

　　(1)静不平衡：静不平衡是只有一个不平衡质量且该不平衡质量位于两个支承的正中间，因此其在旋转中的离心力在两个支承上反力的大小和方向均相等。在切削加工中的短悬伸刀具(如盘类刀具)可近似地认为只是静不平衡。 

　　(2)偶不平衡：有两个不平衡质量，分布在对称于支承中点的180°位置，因此其在旋转中的离心力在两个支承上反力的大小相等方向却相反，形成的是一个力偶。 

　　(3)动不平衡：有两个或两个以上的不平衡质量，分布不符合以上的规律，其在旋转中的离心力在两个支承上反力的大小和方向都不一样。可以这样认为，动不平衡是静不平衡和偶不平衡的叠加，杆类刀具大部分都是此类不平衡。 

　　不平衡的消除有加重、去重和调整三类方法，刀具的出厂预平衡多采用钻孔去重的方法。即在经平衡机测量并计算得到的位置钻一个指定大小和深度的孔，以使刀具在该位置截面上得到静平衡，或者在两个位置上各钻一个孔以实现动平衡。 

　　可转位刀具由于更换刀片和配件后会产生新的微量不平衡，整体刀具在装入刀柄后也会在整体上形成某种微量不平衡，我们经常会使用调整法来去除不平衡量以达到平衡目的。调整法主要有三种方式：

　　(1)平衡调整环：高速加工中安装整体刀具使用的刀柄主要采用这种方式，通常在刀柄上具有两个平衡调整环。通过分别旋转平衡调整环，可以产生一个合力和一个平衡力矩，从而实现动平衡。

　　(2)平衡调整螺钉：盘类刀具可以采用这种方式。这种方法通常通过在一个(或两个)截面内对两个螺钉进行径向移动来改变该截面内的质心位置，从而达到平衡调整的目的。 

　　(3)平衡调整块：大尺寸的单刃刀具(如单刃镗刀)通常会设置一个平衡调整块。该调整块与单刃刀头处于同一截面，径向可以移动。通过该调整块的移动来达到平衡。 

　　减少刀具不平衡的方法，除了上述平衡方法以外，减少刀具的重量也是一个有效的方法。如瓦尔特用于铝合金高速切削的刀具的刀体用高强度的铝合金制造，由于铝的密度仅为钢的34.6%，同样制造精度下的离心力也就大大减少了。以直径200mm的铣刀为例，相对于相同直径钢刀体铣刀，刀具的重量由9.8kg减少到3.7kg，允许使用的最高转速也从4200r/min提高到13200r/min。 

　　对于在高速切削条件下使用的刀具，盘类刀具由于轴向尺寸相对较小，一般可以只进行静平衡；而杆类刀具的悬伸较长，其质量轴线与旋转轴线之间可能存在的夹角就不能被忽略，因此必须进行动平衡。必须明确的是，只有在两个或两个以上截面中进行的平衡调整才可能是动平衡，而在一个截面内进行的平衡都应是静平衡。 

　　4．高速切削的刀具选用 

　　就一般规律而言，中心对称的结构更适合高速加工。如在中心不对称的三齿结构中，三齿中仅一齿过中心，该刀具一般不适合作为高速切削刀具；在中心对称的二齿结构中，其两个刀齿均过中心，就比较适合高速切削。同样，带削平的圆柱刀柄由于削平去除了刀具一侧的部分材料，也造成了刀具的不平衡，对于高速切削也是不利的。加上其通常使用螺钉从侧面压紧，使刀柄上安装孔与刀具柄部的间隙在夹紧过程中变为不对称间隙，安装后的不平衡可能被加剧，更不适合用于高速切削。因此我们在高速切削的刀具选择过程中要充分考虑其结构的影响，避免刀具结构在原理上就不平衡。因为通常通过调整所能去除的不平衡量相当有限，而原理上的不平衡往往远远超出刀柄调整所能消除的不平衡的范围。 

　　我们认为，刀具供应者应对自己提供的刀具能否用于高速切削作出明示。现在，许多欧美刀具商已经在其样本等宣传资料上标明了表示适用于高速切削的符号“HSC”或适用于高速加工的符号“HSM”，因此，一般没有标注这类符号的就表示不适合高速切削。

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