高速切削刀具

　　高速切削的研究历史，可以追溯到二十世纪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。

　　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。下图是镍基高温合金在不同的切削速度下切屑的形态。

　　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，高速切削也被成为“冷态切削”。

　　德国高速切削研究团队认为，高速切削的速度范围应该是传统切削速度的5-10倍。而实现高速切削可能涉及机床、刀具、工件、工艺参数等诸多方面的问题。本文将就高速切削的刀具及其它有关因素与刀具相关的若干方面介绍一些自己的看法。

　　一、刀具与机床的接口

　　在传统的镗铣加工中，我们通常使用的是各种7:24的刀具接口。这些接口的主轴端面与刀具存在间隙，在主轴高速旋转和切削力的作用下，主轴的大端孔径膨胀，造成刀具轴向和径向定位精度下降。同时锥柄的轴向尺寸和重量都较大，不利于快速换刀和机床的小型化。

　　而高速加工我们通常会推荐一种新的被称为HSK的接口标准。HSK由德国阿亨大学机床研究所专门为高转速机床开发的新型刀-机接口，并形成了用于自动换刀和手动换刀、中心冷却和端面冷却、普通型和紧凑型等6种形式。HSK是一种小锥度(1:10)的空心短锥柄，使用时端面和锥面同时接触，从而形成高的接触刚性。经分析研究，尽管HSK连接在高速旋转时主轴也同样会扩张，但仍然能够保持良好的接触，转速对接口的连接刚性影响不大。

　　二、刀具的平衡

　　物理学的原理表明，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。也就是说，如果转速增加1倍，离心力将增大到原来的四倍。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了数据，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，这些误差我认为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。

　　因此，对于在高速旋转下使用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3种：

　　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。

　　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。

　　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。

　　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：

　　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。

　　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。

　　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。右图是瓦尔特用于铝合金高速切削的刀具。该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。

　　就一般规律而言，中心对称的结构的更适合高速加工。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，更不合适用于高速切削。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。

　　三、安全性

　　由于高速切削通常会需要较高的转速，由此使刀具在巨大离心力作用下发生破碎、解体的可能性大大增加。左图的一组照片说明了这种问题不但存在，而且具有不小的危险。

　　山东大学在使用国内某知名厂商生产的直径100mm的面铣刀安装单刀片进行切削试验时，在转速增加到5000r/min时，仅有的一个刀片在离心力超过锲块摩擦力的情况下飞离了刀体，击打在机床的防护钢板上。而苏州的一个用户则比较不幸，他们的刀具破碎后碎片击中了机床的防弹玻璃，结果是玻璃被完全击碎。

　　那么，高速加工的刀具为什么会有如此大的破坏能力呢？我们作了如下的简要分析。如果一个直径40mm的可转位铣刀以40000r/min的转速进行加工，其线速度为5024m/min，即83.7m/s，以刀片重量0.015kg计算，其动量为1.26 kg·m/s。这一结果与一著名的微声手枪子弹的出膛动量相当(该手枪子弹弹头重量约0.005kg，出膛初速度为230m/s，因此动量为1.20 kg·m/s)。

　　刀片式铣刀的结构与安全性有很大关系。山东大学在使用的刀片飞出的铣刀，是国内普遍采用的锲块时夹紧方式。这种夹紧方式完全依靠摩擦力来抵御离心力，刀片比较容易飞出，而采用螺钉夹紧方式的刀具则需要剪断螺钉才会导致刀片飞出，安全性大大提高。研究表明，用螺钉夹紧的铣刀随着转速的逐渐提高，螺钉会在离心力的作用下被拉长，刀体也会发生轻微的膨胀。大约在30000~35000r/min时已达临界应力而出现永久性的拉伸变形，而在在达到临界速度之前，螺钉已经出现弯曲现象，造成夹紧力下降，刀片也随之发生位移。

　　因此，我们必须充分注意高速加工刀具的安全性问题，杜绝在高速切削时发生安全事故。德国高速切削的工作组就此提出的高速加工刀具安全性技术规范早已被建议成为德国标准和国际标准。该规范规定：对于刀片式的刀具，生产商必须保证在1.6倍于最大使用转速(np＝1.6nmax)下试验，刀具的永久变形或零件的位移不超过0.05mm，而在2倍于最大使用转速(np=2nmax)下试验，刀具不发生爆碎；对于整体式刀具，则应在np=2nmax条件下试验而不发生弯曲或断裂。同时要求刀具生产商必须对可用于高速切削的刀具明示其最大使用转速。在此条件下使用刀具的安全性将得到充分的安全保证。当然，对于非高速切削刀具(即在左图的绿色部分)，则不需要作如此要求。因此我们在选用高速切削刀具时应严格按照生产商提供的核定最高转速规定。但由于国内尚无高速切削刀具的安全性标准，我们在选用时需要更加慎重。

　　对于高速切削的刀具，我们应采取一定措施来保证其安全性。比如，瓦尔特要求对高速切削的刀片式刀具，使用原厂刀片锁紧螺钉以保证安全性；刀片安装时保证规定扭矩；同时在刀片更换5次后，使用新的刀片锁紧螺钉以防止螺钉因疲劳着成造成夹紧力下降，影响刀具的安全使用。

　　同样，刀具生产商也应该采取措施来加强刀具在高速加工中的安全性。国外一些著名的刀具生产商近年来在刀片式刀具的开发中纷纷采用了技术措施来加强刀具的安全性，刀片与刀体间增加离心力卸载结构就是其中之一。左图的刀体上有一个突起，刀片的相应位置上则有一个凹坑，刀片的离心力可由刀片与刀体间的摩擦力、螺钉的支承力和离心力卸载结构的支承力共同承担，这样抵御刀片飞出的能力得到了加强。

　　四、高速切削刀具的材料

　　虽然我们总是希望得到既有高的硬度以保证刀具的耐磨性，又有高的韧性来防止刀具的碎裂，但目前的技术发展还没有找到如此优越性能的刀具材料，鱼于熊掌无法兼得。因此，我们会在实际中按照需要选用更合适的刀具材料：

　　粗加工时优先考虑刀具材料的韧性；精加工时优先考虑刀具材料的硬度。

　　金刚石、立方氮化硼和陶瓷的技术由来已久，他们共同的特点是硬度高，脆性大，不能承受较大的冲击。

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