高速切削加工刀具技术的研究及应用(上)

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　　“高速切削加工已成为机械制造的主流发展方向，因此，适宜高速切削加工的刀具系统技术的研究具有十分重要的意义。随着先进制造技术及材料技术和纳米技术的发展，新的多元、复合、纳米级的硬质涂层及CVD金刚石薄膜等功能材料、超硬刀具材料、陶瓷刀具、涂层刀具等将得到广泛应用，高速切削刀具系统将日趋完善，成为推动高速切削加工的重要组成部分。”

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　　代表现代机械加工主流方向的高速切削加工，因顺应了21世纪机械加下高效率、高精度、柔性与绿色化的要求而得到了迅猛发展。

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　　高速加工的最大特点是在极大满足高效生产的同时，也大大提高了被加工零件的加工精度和表面质量。运用高速加工的“一次过”技术，可将传统的粗精加工一次加工完成，既可获得高质量的加工表面，又省去了传统的若干工序，使加工效率得以极大提高。随着电主轴在机床中的普遍应用，制约机床切削速度不断提高的因素已不仅仅是机床主轴本身，适宜高速切削加工要求的刀具系统与技术的研究已成为影响高速加工不断发展的重要因素。因此，深入研究高速加工对刀具系统提出的新要求，开发适宜高速加下要求的刀具系统具有十分重要的意义。本文针对传统刀具在高速加工中存在的弊端，在认真分析高速加工对刀具系统要求的基础上，论述了适宜高速加工要求的刀具系统的技术方法。

　　1高速切削加工对刀其系统的要求

　　高速切削加工不仅仅是主轴转速的提高，而是指整体加工时间的缩短。因此，高速切削加工不仅要求切削刀具具有很高的刚性、安全性、柔性、动平衡特性和操作方便性，而且对刀具系统与机床接口的连接刚度、精度以及刀柄对刀具的夹持力与夹持精度等都提出了很高的要求。

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　　所谓刀具系统即由装夹刀柄与切削刀具所组成的完整刀具体系。装夹刀柄与机床接口相配，切削刀具直接加工被加工零件，两者极为重要。高速切削加工刀具系统必须满足以下要求：

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　　刀具结构的高度安全性作为应用于高速切削加工的刀具系统，其结构必须具有高度安全性，以防止刀具高速回转时刀片飞出，并保证旋转刀片在2倍于最高转速时不破裂。

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　　刀具系统优异的动平衡性用于高速加工的刀具系统的动平衡性能是至关重要的。由理论力学知识可知，离心力F=mrw2，当刀具系统动平衡性能较差时，高速旋转的刀具会产生很大的离心力，从而引起刀杆弯曲并产生震动，其结果将使被加工零件质量降低，甚至导致刀具损坏。

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　　高的系统刚性刀具系统的静、动刚性是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚性不足将导致刀具系统振动或倾斜，使加工精度和加工效率降低。同时，系统振动又会使刀具磨损加剧，降低刀具和机床使用寿命。

　　高的系统精度系统精度包括系统定位夹持精度与刀具重复定位精度以及良好的精度保持性。具备以上精度要求的刀具系统，才能保证高速加工整个系统的静态和动态稳定性，从而满足高速、高精加工工件的要求。

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　　高的互换性对模块式刀具系统而言，需要刀具系统具有更高的灵活性，以便通过调整或组装，迅速适应不同零件的加工需要。此外，刀具与机床的接口应采用相同的刀柄系统，以减少不必要的库存。

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　　高效性刀具系统必须具备高质量、高使用寿命的刀具，以满足高速高效加工工件的要求。

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　　高适应性刀具系统应具有加工多种硬度材质的能力，以满足高速加工各种工件的要求。

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　　2传统刀具系统存在的问题

　　刀具定位精度和重复定位精度低高速加工时，由于离心力的作用，主轴锥孔与刀具锥柄均发生径向扩张。当锥柄扩张量小于主轴锥孔扩张量时，出现配合间隙。于是，在拉紧螺钉拉紧力的作用下，锥柄带动刀具轴向位移，导致刀具在高速加下时轴向定位精度降低。

　　同时.刀柄与主轴锥孔只靠锥面配合连接，轴向刚度较低，导致刀具重复定位精度较低。

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　　刀具动态与静态刚度低刀具高速旋转时，在离心力作用下，主轴锥孔轴向扩张量的差异，使得本来由锥面结合的低刚性连接的刚度进一步降低。

　　刀柄锥部较长，不利于快速换刀和机床主轴的小型化。

　　由于以上原因，传统刀具系统已不能满足高速切削加工的需要，必须研究开发适宜高速切削加工的刀具系统。