高速切削刀具（一）

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　　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。

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　　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

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　　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。

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　　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。

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　　二、刀具的平衡

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　　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。

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　　某精密镗刀制造商提供了如下图的数据，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。

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