高速切削加工中的刀具技术

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高速切削(HSC)加工中，切削线速度高达普通切削线速度的5～10倍，使机床主轴转速常在20000～30000r/min 以上，进给速度随之上升至15～50m/min或更高，并要求进给轴的运动加速度、CNC系统的控制速度与功能乃至CAD/CAM系统的速度与功能都相应提高增强。 % S! `8 D4 m# c/ B$ Q( V. {$ V! @

机械运动参数数值提高近一个数量级，对工艺装备中运动部件的物理力学性能和结构提出了不同寻常的高要求。本文以下集中讨论由此而引起的刀具技术的革新与发展。 " [ w- ]$ ~! _# m5 K

1 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：

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图1 刀柄无法定位和传递动力

图2 刀体(刀盘)爆裂破损

图3 刀片紧固装置发生位移或破损

图4 SK系列刀柄与HSK系列刀柄结构形状

1. 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。
2. 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。 ! A7 S4 n% j3 _) J5 X8 |
3. 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。

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： ! h& F2 b* o. m4 O* S% Z! c# j) a( c4 ]

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： 6 `. S i" |( X. x* P) `
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： 1 f" A5 [6 G1 N( R) F& H
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。

2 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。 * v U; j. N( ]* C9 W

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。 5 J9 t, ]8 b& z) ? O# H

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。 $ \; F# S( j5 g% N& ]1 x

3 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。 2 d4 ?% K4 I- U4 k

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。 5 t+ W! X( j* U, J% E( `# {
3. 根据工件材料优化切削参数，包括切削速度v_c，每齿进给量f_z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v_c、f_z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。 6 U2 W. b. r/ \0 c8 u0 o' C/ h' ~; H) |* f, E# M1 g4 S: h3 y) f ~2 m8 t* |& Z) a# Q5 p7 G" V+ }1 L% f9 e8 T) W3 X& g v2 w- ?; p

   图5 切削参数对刀具寿命的影响

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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b_f。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。 5 D4 s/ N6 ^; I% q- j1 k- K( x" w# `% t# h2 ^0 E3 M5 m8 e& u

   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。 8 L8 Y$ j3 u+ P3 d; d- f, H. C: V& q& _0 S$ I% I

   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。

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4 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。 - ^' Q$ N" E0 X* ?. _

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。 $ Z/ H6 @# n1 j0 o% }% F) f: F' t

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。 1 f( s5 M! n1 [+ T, E8 p

5 结束语

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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。