高速刀具系统结构及原理介绍

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1．-刀具材料? / ]0 o6 N1 P G! ^' _/ [+ U

　　1）涂层刀具?
　　涂层刀具是在刀具基体上涂覆硬质耐磨金属化合物薄膜，以达到提高刀具表面硬度和耐磨性的一种用于高速切削的刀具。常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金、金属陶瓷和陶瓷等。涂层材料有TiN、TiC、Al₂O₃、TiCN、TiAlN和TiAlCN等。涂层可以是单涂层，也可以是双涂层或多涂层，甚至是几种涂层材料复合而成的复合涂层。

　　复合涂层可以是TiC－Al₂O₃－TiN、TCN和TiAlN多元复合涂层，最新又发展了TiN/NbN和TiN/CN等多元复合薄膜。如商品名为“Fire”的孔加工刀具复合涂层，它用TiN作底层，以保证与基体间的结合强度；由多层薄涂层构成的中间层为缓冲层，用来吸收断续切削产生的振动；顶层是具有良好耐磨性和耐热性的TiAlN层。另外，还可在“Fire”的外层上涂减磨涂层。其中，TiAlN层在高速切削中性能优异，最高切削温度可达800℃。近年开发出的一些PVD硬涂层材料，有CBN、CN、Al₂O₃、多晶氮化物（TiN／NbN，TiN／VN）等，它们在高温下具有良好的热稳定性，很适合高速与超高速切削。金刚石膜涂层刀具主要用于有色金属加工，而C－C₃N₄超硬涂层的硬度则有可能超过金刚石。

　　软涂层刀具，如MoS₂和WS₂作为涂层材料的高速钢刀具主要用于高强度铝合金和钛合金等的加工。此外，最新开发的纳米涂层材料刀具在高速切削中的应用前景也很广阔。如日本住友公司的纳米TiN/AlN复合涂层铣刀片，共2000层涂层，每层只有2.5nm厚。

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　　2）-金属陶瓷刀具?
　　金属陶瓷主要包括高耐磨性能的TiC基硬质合金（TiC+Ni或Mo）、高韧性的TiC基硬质合金（TiC+TaC+WC）、强韧的TiN基硬质合金和高强韧性的TiCN基硬质合金（TiCN+NbC）等。这些合金做成的刀具可在v_c=300～500m/min的范围内高速精车钢和铸铁。金属陶瓷可制成钻头、铣刀和滚刀。如日本研制的金属陶瓷滚刀，v_c =600m/min，约是硬质合金滚刀的10～20倍，加工表面的粗糙度值R_max为2μm，比HSS滚刀（R_max15μm）和?硬质合金滚刀（R_max8μm）小得多，耐磨性是HSS的4倍，是硬质合金的2倍。

　　3）陶瓷刀具?
　　陶瓷刀具可在v_c=200～1000m/min的范围内切削软钢、淬硬钢和铸铁等材料。

　　4）CBN刀具?
　　CBN刀具是高速精加工或半精加工淬硬钢、冷硬铸铁和高温合金等的理想刀具材料，可以实现“以车代磨”。国外还研制了CBN含量不同的CBN刀具，以充分发挥CBN刀具的切削性能（见下表）。据报导，CBN300加工灰铸铁的速度可达2000m/min。

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表 不同CBN含量的刀具及其用途

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　　5）PCD刀具?
　　PCD刀具可实现有色金属和非金属耐磨材料的高速加工。据报导，镶PCD的钻头加工Si－Al合金的切削速度vc可达300～400m/min，PCD刀具在加工铝合金、镁合金、石墨和粉末冶金坯料上，与硬质合金刀具相比，其寿命提高了60～145倍；采用高强度铝合金刀体的PCD面铣刀加工铝合金的速度v_c可达3000～4000m/min，有的则达到了7000m/min。20世纪90年代以后，美、日相继研发了金刚石薄膜刀具（车铣刀片、麻花钻、立铣刀和丝锥等），其寿命是硬质合金刀具的10～140倍。

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　　这其中，涂层硬质合金刀具是应用最多、使用范围最广的一类刀具，其性能价格比较好。陶瓷刀具的性能介于涂层硬质合金刀具和超硬材料刀具之间，陶瓷刀具的硬度比硬质合金高而价格比CBN和金刚石刀具低，在一些场合下可以代替超硬材料刀具进行高速硬切削和干切削。

　　CBN刀具和金刚石刀具硬度高、寿命长，适用于大批量生产的场合以及有特殊要求的场合，如精密切削高硬度材料等。CBN刀具材料具有高的热硬性、高强度和高的抗热冲击性，是高速精加工或半精加工淬硬钢、冷硬铸铁和高温合金等的理想刀具材料，但不能切削硬度低于45HRC的材料。金刚石刀具的耐磨性高，高速性能好，但抗冲击能力差，切削铁质金属化学稳定性差，主要用于高速粗、精切有色金属和非金属材料。

　　2．刀具夹头?

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　　1）三棱变形精压夹头?
　　德国雄克公司生产的一种无夹紧元件的三棱变形静压夹头的工作原理如图1所示。该夹头的内孔在自由状态下为三棱形，三棱的内切圆直径小于要装夹的刀柄直径。利用一个液压加力装置，对夹头施加外力，使夹头变形，内孔变为圆孔，孔径略大于刀柄直径。此时插入刀柄，然后卸掉所加的外力，内孔重新收缩成三棱形，对刀柄实行三点夹紧。此种夹头结构紧凑、对称性好、精度高，刀具装卸简单，且对不同膨胀系数的硬质合金刀柄和高速钢刀柄均可适用。

图1 无夹紧元件的三棱变形静压夹头的工作原理图

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　　2）热装夹头?
　　热装夹头也是一种无夹紧元件的夹头。它通常利用高能场的感应加热线圈，把刀柄的夹持部分在短时间（10s）内加热，刀柄内径随之扩张，此时立即把刀具装入刀柄内，当刀柄冷却收缩时，即可赋予刀具夹持面均匀的压力，从而产生很高的径向夹紧力将工具牢牢夹持住。装上或卸下切削工具后，夹头迅速冷却，因此，热量极少传递至夹头的其他部位或刀具的柄部。?
　　除此之外还有一些适用于高速加工的刀具夹头，如弹簧夹头、液压夹头、动平衡夹头和TRIBOS夹头等。

　　3．刀柄结构?

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　　传统的刀柄结构不能适应高速加工的需要，主要是不能满足连接刚度、精度、动平衡以及快速换刀的要求。目前有两种思路可以解决高速加工刀柄结构问题：一是仍采用现有的7∶24锥度而对其结构进行改进，如美国生产的WSU刀柄；另一方面是摒弃原有的7∶24锥度而采用新的替代型结构，如HSK刀柄和KM刀柄等。?
　　WSU刀柄利用了虚拟锥度的概念，即以离散的点或线形成一个锥面，与主轴内锥孔面接触，如图2所示。实现这些点线接触的元件是弹性的。因此，当拉杆轴向拉力使刀柄与主轴端面定位接触时，只会使刀柄锥体这些弹性元件变形，而刀柄不变形。这种方法可使接触锥部获得较大的过盈量，而不需太大的拉力，也不会使主轴膨胀，对接触面的污染不敏感。

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图2 WSU刀柄结构及与主轴的连接

　　例如，WSU－1刀柄要求的加工精度与普通刀柄相同，刀柄的锥部仍采用7∶24锥度，但它的直径比相同法兰尺寸的标准刀柄锥度的直径要小，锥柄的外表面套有由金属或塑料保持架固定的直径相同的滚珠，由滚珠形成的虚拟锥直径约比主轴内锥孔直径大5～10μm，在拉杆拉力作用下，滚珠发生弹性变形，刀柄在主轴锥孔内移动到刀柄法兰与主轴端面接触为止。?
　　滚珠的材料为金属、塑料或者玻璃，其制造精度要求很高，球面精度和直径制造精度都在1μm以下，严格的制造精度可以保证虚拟锥与主轴锥孔有良好的配合。

　　这种连接的主要优点有：实现了端面与锥面的同时接触定位，刚度和高速性能好，主轴不会膨胀，对轴承没有影响；接触区变形大，虚拟锥部与主轴锥孔没有间隙，刀杆的径向圆跳动小，拉杆产生的轴向力在接触锥部损失小，施加在刀轴接触端面的压力大，接触面摩擦力增大，在某种程度上可用来传递转矩，具有良好的动平衡性能。?
　　HSK刀柄是一种新型的高速锥形刀柄，其接口采用锥面和端面两面同时定位的方式。HSK刀柄结构及与主轴的连接如图3所示，HSK工具系统采用1∶10锥度，刀柄为中空短柄，刀柄长度约为传统刀柄长度的1/2，楔形效果好，抗扭能力强。

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图3 HSK刀柄结构及与主轴的连接

　　其工作原理是靠锁紧力及主轴内孔的弹性膨胀来补偿端面间隙的。由于中空刀柄自身有较大的弹性变形，因此对刀柄的制造精度要求相对较低。刀柄与主轴之间由扩张爪锁紧，转速越高，扩张爪的离心力越大，锁紧力越大，因此具有良好的高速性能。又由于HSK工具系统质量较小、柄部又较短，因此有利于高速自动换刀及机床的小型化，但中空短柄结构也使其系统的刚性和强度受到了一定影响。HSK整体式刀柄采用平衡式设计，刀柄结构有A、B、C、D、E、F六种，其中A、B型为自动换刀刀柄，C、D型为手动换刀刀柄，E、F型为无键连接的对称结构。实际应用时，HSK50和HSK63刀柄适用的主轴转速可达25000r/min，HSK100适用的主轴转速为12000r/min。

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