高速切削加工中的刀具技术(上)

一.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，如图2所示。

　　　　　　　　图2 刀体(刀盘)爆裂破损

　　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，如图3 所示。这是高速切削刀具容易发生的主要机械故障。

　　　　　　图3 刀片紧固装置发生位移或破损

　　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.必要时采用全套在线、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度、轴向刚度，并具有过载保护作用，如图4所示：

　　　　　图4 SK系列刀柄与HSK系列刀柄结构形状

　　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。

二.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。

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