高速切削加工中的刀具技术(下)

三．缓解刀具寿命下降的工艺措施

　　随着切削速度和进给速度大幅度提高，HSC加工中刀具的寿命普遍降低，需要从以下各方面采取措施，尽可能减少刀具寿命的降低。

　　1.根据工件材料选用合适的刀具材料。针对不同工件材料进行的切削试验结果表明，选用不同刀具材料后其使用寿命差别很大，甚至超过一个数量级。本文上节一般介绍了HSC加工常用的刀具材料及其应用范围。问题是工件材料和刀具材料的品种、牌号、生产厂家均浩繁庞杂，要从中筛选出最优的具体组合，只能通过试验和长期积累使用经验。

　　2.根据工件材料优化刀具几何参数。通过试验切削发现，适当增大刀刃的后角、尽可能缩短刀具的悬伸长度以及HSC加工铸铁件时适当增大刃口圆弧半径，都可以提高刀具的相对寿命。

　　3.据工件材料优化切削参数，包括切削速度vc，每齿进给量fz和径向切深。图5试验结果表明，随着工件-刀具材料组合的变化，以刀具相对寿命最长为目标的vc、fz和刀具径向切深最佳数值也发生变化，并且它们之间存在一定的牵连关系。

　　　　　　　　　图5 切削参数对刀具寿命的影响

　　4.优化切削几何关系，合理选取球头铣刀轴线相对于工件表面法线的倾角bf。图6球头铣刀轴线在进给平面中沿进给方向向前倾斜一定角度实行拽切(牵拉铣削)时，刀具的相对寿命最高，而且可以大大降低已加工表面粗糙度。

　　　　　　　　　　图6 球头铣刀轴线倾斜方向

　　5.选取有利的走刀路线。例如图7中半圆柱曲面，可以采用几种不同的走刀路线加工出来。经过试切，选取拽切和顺铣结合的走刀路线时刀具相对寿命最高，已加工表面粗糙度也较低，但空刀路程比拽、钻和顺、逆交替铣削的走刀路线长得多。

　　　　　　　　　　　图7 铣削曲面走刀路线

　　6.采用最小量冷却润滑。根据统计，切削加工中用于冷却润滑的开支甚至可能超过用于刀具的开支。出于节约和保护生态环境的考虑，欧美工业国家正在大力研究推广干切削加工技术，即最小量(<100ml/h)冷却润滑。例如用TiAlN 涂层整体硬质合金钻头在X90CrMoV18高合金模具钢上以1123r/min 的高转速钻孔，采用最小量冷却润滑后刀具寿命比完全不用冷却润滑提高近7倍，进一步采取优化刀具基质材料的措施后刀具寿命提高15倍多，最后加上优化刀具几何参数和在TiAlN硬涂层上覆盖MoS2软涂层两项措施，刀具寿命总共提高近32倍。

四．激光刀具检测系统

　　在新近引进的一台5轴联动数控高速铣削立式加工中心上，配备了一套激光刀具检测系统，能够在线以非接触方式测量刀具的长度和直径，检测刀具的破损和磨损情况，能够进行温度补偿，能够对单个切削刃实行控制，或者对多个直线或圆弧切削刃进行刀具形状控制。它的检测范围包括能够在机床上安装使用的所有刀具，即直径≤125mm，长度≤300mm，重量≤8kg。系统能够检测的刀具最小直径为0.03mm，重复测量精度可以达到±1µm。

　　该激光刀具检测系统的硬件简单而不显眼。紧靠机床正面观察操作位置左方安放激光发生器，沿机床Y轴向后到底的对面安放检波器，分别用气动遮板和吹净装置来保护光学元件免受冷却润滑剂和切屑污染。检测系统还要求机床必须配备油雾吸收净化装置。系统的硬件通过缆线及管道连接到机床CNC控制系统。激光束是波长为0.67µm 的红色可见光，输出功率小于1W。当机床主轴带着刀具沿X轴向左移动到遮挡住70%的激光束时，检测系统便发信号给机床CNC 控制系统，由后者起动常驻软件把光束与刀具接触点的坐标同控制系统刀具数据表中的已知值进行比较。系统通用的CNC 接口，可以同Fanuc、SIEMENS Sinumerik、HEIDENHEIN iTNC 530 等多种主流数控系统连接。系统具备宏编程功能，可用G 或M 代码来指令运行大多数例行的检测程序。刀具检测位置距离换刀位置很近，便于检测后必要时及时换刀。

　　在系统用于检测之前，必须按三根坐标轴逐一进行校准标定。标定时，先把三个圆柱形参考销的已知尺寸作为已知的长度、高度和半径尺寸输入到机床控制系统的校准表中，然后分别把参考销安装到机床主轴上，每次用激光束来测定一个空间尺寸。把实测的三个空间尺寸分别同已知的三个尺寸进行比较，二者之间的偏差即是三根轴的偏置量。把这些数值存放在刀具表中，就可以精确检测任何刀具。

　　该激光刀具检测系统检测精度、效率和自动化程度高，检测范围大，功能多，已经越来越多地替代传统的机械式对刀仪。

五．结束语

　　高速切削加工涉及材料、驱动和传动、机床与刀具、控制和数控、信息、测试监控、工艺、冷却润滑等众多领域，是一项综合技术或者说系统工程。当机床设备安装调试完毕进入长期使用后，刀具将逐渐占据举足轻重的地位，从硬件方面作为易损消耗品时时不断地决定或制约高速切削加工的质量、效率、成本，需要始终加以关注研究而不能够“一劳永逸”。本文表明，高速切削刀具涉及材料、机械设计和制造、工艺、检测等多项技术，同样表现出综合性、系统性。

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