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高速切削加工刀具技術研究(一)
瀏覽次數:2994次 發布日期:2008/5/29
 
代表現代機械加工主流方向的高速切削加工,因順應了21世紀機械加下高效率、高精度、柔性與綠色化的要求而得到了迅猛發展。高速加工的最大特點是在極大滿足高效生產的同時,也大大提高了被加工零件的加工精度和表麵質量。運用高速加工的“一次過”技術,可將傳統的粗精加工一次加工完成,既可獲得高質量的加工表麵,又省去了傳統的若幹工序,使加工效率得以極大提高。隨著電主軸在機床中的普遍應用,製約機床切削速度不斷提高的因素已不僅僅是機床主軸本身,適宜高速切削加工要求的刀具係統與技術的研究已成為影響高速加工不斷發展的重要因素。因此,深入研究高速加工對刀具係統提出的新要求,開發適宜高速加下要求的刀具係統具有十分重要的意義。本文針對傳統刀具在高速加工中存在的弊端,在認真分析高速加工對刀具係統要求的基礎上,論述了適宜高速加工要求的刀具係統的技術方法。

   

    1高速切削加工對刀其係統的要求

    

    高速切削加工不僅僅是主軸轉速的提高,而是指整體加工時間的縮短。因此,高速切削加工不僅要求切削刀具具有很高的剛性、安全性、柔性、動平衡特性和操作方便性,而且對刀具係統與機床接口的連接剛度、精度以及刀柄對刀具的夾持力與夾持精度等都提出了很高的要求。

    

    所謂刀具係統即由裝夾刀柄與切削刀具所組成的完整刀具體係。裝夾刀柄與機床接口相配,切削刀具直接加工被加工零件,兩者極為重要。高速切削加工刀具係統必須滿足以下要求:

    

    1)刀具結構的高度安全性作為應用於高速切削加工的刀具係統,其結構必須具有高度安全性,以防止刀具高速回轉時刀片飛出,並保證旋轉刀片在2倍於最高轉速時不破裂。

    

    2)刀具係統優異的動平衡性用於高速加工的刀具係統的動平衡性能是至關重要的。由理論力學知識可知,離心力F=mrw2,當刀具係統動平衡性能較差時,高速旋轉的刀具會產生很大的離心力,從而引起刀杆彎曲並產生震動,其結果將使被加工零件質量降低,甚至導致刀具損壞。

    

    3)高的係統剛性刀具係統的靜、動剛性是影響加工精度及切削性能的重要因素。刀具係統剛性不足將導致刀具係統振動或傾斜,使加工精度和加工效率降低。同時,係統振動又會使刀具磨損加劇,降低刀具和機床使用壽命。

    

    4)高的係統精度係統精度包括係統定位夾持精度與刀具重複定位精度以及良好的精度保持性。具備以上精度要求的刀具係統,才能保證高速加工整個係統的靜態和動態穩定性,從而滿足高速、高精加工工件的要求。

    

    5)高的互換性對模塊式刀具係統而言,需要刀具係統具有更高的靈活性,以便通過調整或組裝,迅速適應不同零件的加工需要。此外,刀具與機床的接口應采用相同的刀柄係統,以減少不必要的庫存。

    

    6)高效性刀具係統必須具備高質量、高使用壽命的刀具,以滿足高速高效加工工件的要求。

    

    7)高適應性刀具係統應具有加工多種硬度材質的能力,以滿足高速加工各種工件的要求。

    

    2傳統刀具係統存在的問題

    

    1)刀具定位精度和重複定位精度低高速加工時,由於離心力的作用,主軸錐孔與刀具錐柄均發生徑向擴張。當錐柄擴張量小於主軸錐孔擴張量時,出現配合間隙。於是,在拉緊螺釘拉緊力的作用下,錐柄帶動刀具軸向位移,導致刀具在高速加下時軸向定位精度降低。

    

    同時,刀柄與主軸錐孔隻靠錐麵配合連接,軸向剛度較低,導致刀具重複定位精度較低。

    

    2)刀具動態與靜態剛度低刀具高速旋轉時,在離心力作用下,主軸錐孔軸向擴張量的差異,使得本來由錐麵結合的低剛性連接的剛度進一步降低。

    

    3)刀柄錐部較長,不利於快速換刀和機床主軸的小型化。

    

    由於以上原因,傳統刀具係統已不能滿足高速切削加工的需要,必須研究開發適宜高速切削加工的刀具係統。

    

    3基於高速切削加工的刀具技術

    

    1)刀具材料技術

    

    高速切削加工對材料的主要要求是:良好的高溫化學性能、熱物理性能、化學穩定性、抗塗層破裂性、抗粘接性和抗熱振性。高速切削加工刀具材料必須按被加工工件材質和加工特性進行選擇,並配以合理的切削條件,才能發揮優異的切削性能。對於鋼、鑄鐵等黑色金屬,宜選用陶瓷、金屬陶瓷及立方氮化硼刀具,對於鋁、鎂等有色金屬,宜選用PCD和CVD等刀具材料。目前,在美國航天航空工業中,銑削鋁合金的切削速度已達7,500m/min、,其切削速度主要受限於機床主軸轉速。對於鋼、鑄鐵等黑色金屬,高速切削中達到的切削速度為加工鋁合金的1/3~1/5,約為1,000~1,200m/min,其速度主要受限於刀具材料的耐熱性,而未來高速切削的目標是:銑削鋁合金的切削速度為10,000m/min。鑄鐵為5,000m/min,普通鋼材為2,500m/min,而鑽削鋁合金、鑄鐵、普通鋼的速度為30,000m/in、20,000m/min和10,000m/min,在未來高速和超高速加工中,超硬刀具材料(如PCD、PCBN)、陶瓷刀具、塗層刀具、TiC(N)基硬質合金刀具等刀具材料將發揮重要作用。

    

    2)刀其係統接口技術

    

    刀具係統接口技術包括刀具—機床接口技術與刀具—刀柄接口技術。

    

    ·刀具—機床接口技術

    

    為了克服傳統刀柄僅僅依靠錐麵定位導致的不利影響,一些科研機構和刀具製造商研究開發了一種能使刀柄在主軸內孔錐麵和端麵同時定位的新型連接方式—兩麵約束過定位夾持係統。該係統具有很高的接觸剛度和重複定位精度,夾緊可靠。目前,該係統主要有短錐柄和7:24長錐柄兩種形式。雖然7:24錐柄具有與傳統BT刀柄可以互換,並可方便安裝於主軸錐孔錐度為7:24的機床上,可提高刀柄與主軸的連接剛度和精度等優點,但從切削速度日趨提高的高速加工的發展趨勢來看,錐度為1:10的短錐柄的刀柄結構的發展前景更為廣闊。目前,短錐柄的兩麵約束刀柄主要有HSK、KM、NT、BIG-PLUS等幾種。

    

    HSK刀柄的錐柄部分采用錐度為1:10的中空短錐柄,其結構如圖1所示。當刀柄與主軸連接時,依靠短錐刀柄在主軸錐孔內定心。
 

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