關(guān)于高速切削的幾點(diǎn)認(rèn)識

高速切削是一個(gè)相對概念,，并且隨著時(shí)代的進(jìn)步而不斷變化,。一般認(rèn)為高速切削或超高速切削的速度為普通切削加工的5～10倍,。可以從不同的角度對切削速度進(jìn)行劃分,。
從加工工藝的角度看，高速切削加工范圍為：車削700~7000m/min,；銑削300~6000m/min,；鉆削200~1100m/min；磨削150~360m/min,。
也可以根據(jù)被加工材料來確定高速切削的范圍,，如加工鋼材達(dá)到380m/min以上、鑄鐵700m/min以上,、銅材1000m/min以上,、鋁材1100m/min以上。
也可以根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速,、功率,、錐孔大小,、和平衡標(biāo)準(zhǔn)來劃分，如按主軸的Dn值劃分,，高速主軸的Dn值一般為500000~2000000,；
對于加工中心，可按主軸錐孔的大小來劃分：50號錐-----10000~20000r/min,；40號錐——20000~40000r/min,；30號錐——25000~40000r/min；HSK錐——20000~40000r/min,；KM錐——35000r/min以上.
研究表明：隨著切削速度的提高,，切削力會降低15～30％以上，切削熱量大多被切屑帶走,，加工表面質(zhì)量可提高1～2級,，生產(chǎn)效率的提高，可降低制造成本20％～40％,。所以高速切削意義不是得到較高的表面切削質(zhì)量,。

國外對高速切削技術(shù)的研究比較早，可以追溯到20世紀(jì)60年代,。目前已應(yīng)用于航空,、航天、汽車,、模具等多種工業(yè)中的鋼,、鑄鐵及其合金、鋁,、鎂合金,、超級合金（鎳基、鉻基,、鐵基和鈦基合金）及碳素纖維增強(qiáng)塑料等復(fù)合材料的加工,，其中以加工鑄鐵和鋁合金為普遍。加工鋼和鑄鐵及其合金可達(dá)到500～1500 m/min,，加工鋁及其合金可達(dá)到3000～4000 m/min,。
我國在高速切削領(lǐng)域方面的研究起步較晚，20世紀(jì)80年代才開始研究高速硬切削,。刀具以高速鋼,、硬質(zhì)合金為主，切削速度大多在100～200 m/min,，高速鋼在40 m/min以內(nèi),。切削水平和加工效率都比較低。近年來,，雖然對高速切削技術(shù)已有比較深的認(rèn)識,，進(jìn)口的部分?jǐn)?shù)控機(jī)床和加工中心中也能達(dá)到高速切削加工的要求,，但由于刀具等原因，高速切削技術(shù)應(yīng)用也較少,。目前主要在模具,、汽車、航空,、航天工業(yè)應(yīng)用高速切削技術(shù)稍多,，一般采用進(jìn)口刀具，以加工鑄鐵和鋁合金為主,。

高速切削技術(shù)主要分為兩方面,，一方面是高速切削刀具技術(shù)，包括刀具材料,、刀柄和刀夾系統(tǒng),、刀具動平衡技術(shù)、高速切削數(shù)據(jù)庫技術(shù),、檢測與監(jiān)控系統(tǒng)等,；另一方面是高速數(shù)控機(jī)床技術(shù)，包括機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)的靜動熱態(tài)特性,、電主軸,、直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)、數(shù)控與伺服系統(tǒng)的高速及高加速度性能,、軸承潤滑系統(tǒng),、刀具冷卻系統(tǒng)等。

典型的刀柄結(jié)構(gòu)及其特性

HSK高速刀柄

在高速切削加工已成為機(jī)械加工制造技術(shù)重要的環(huán)節(jié),。傳統(tǒng)的BT刀具系統(tǒng)的加工性能已難以滿足高速切削的要求,。目前高速切削應(yīng)用較的有德國的HSK （德文Hohl Shaft Kegel縮寫）刀具系統(tǒng)、美國的KM 刀具系統(tǒng),、日本的NC5,、BIG-PLUS刀具系統(tǒng)等以上皆屬于兩面拘束刀柄。

刀具系統(tǒng)能在高速下進(jìn)行切削加工,，應(yīng)滿足以下基本條件：

1. 較高的系統(tǒng)精度

系統(tǒng)精度包括系統(tǒng)定位夾持精度和刀具重復(fù)定位精度,，前者指刀具與刀柄、刀柄與機(jī)床主軸的連接精度,；后者指每次換刀后刀具系統(tǒng)精度的一致性。刀具系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)精度,，才能保證高速加工條件下刀具系統(tǒng)應(yīng)有的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性,。

2. 較高的系統(tǒng)剛度

刀具系統(tǒng)的靜、動剛度是影響加工精度及切削性能的重要因素,。刀具系統(tǒng)剛度不足會導(dǎo)致刀具系統(tǒng)振動,，從而降低加工精度,，并加劇刀具的磨損，降低刀具的使用壽命,。

3. 較好的動平衡性

高速切削加工條件下,，微小質(zhì)量的不平衡都會造成巨大的離心力，在加工過程中引起機(jī)床的急劇振動,。因此,，高速刀具系統(tǒng)的動平衡非常重要。
HSK刀柄是一種新型的高速錐型刀柄,，其接口采用錐面和端面兩面同時(shí)定位的方式,，刀柄為中空，錐體長度較短,，有利于實(shí)現(xiàn)換刀輕型化及高速化,。加工中心由于采用端面定位，*消除了軸向定位誤差,，使高速,、高精度加工成為可能。

(1)HSK刀柄的工作原理和性能特點(diǎn)
這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要有：
1)采用錐面,、端面過定位的結(jié)合形式,，能有效地提高結(jié)合剛度。
2)因錐部長度短和采用空心結(jié)構(gòu)后質(zhì)量較輕,，故自動換刀動作快,，車床可以縮短移動時(shí)間，加快刀具移動速度,，有利于實(shí)現(xiàn)ATC的高速化,。
3)采用1：10的錐度，與7：24錐度相比錐部較短,，楔形效果較好,，加工中心故有較強(qiáng)的抗扭能力，且能抑制因振動產(chǎn)生的微量位移,。
4)有比較高的重復(fù)安裝精度,。
5)刀柄與主軸間由擴(kuò)張爪鎖緊，轉(zhuǎn)速越高,，擴(kuò)張爪的離心力(擴(kuò)張力)越大,，鎖緊力越大，故這種刀柄具有良好的高速性能,，即在高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力作用下,，車床刀柄能牢固鎖緊。

(2)這種結(jié)構(gòu)也有弊端：
1)它與現(xiàn)在的主軸端面結(jié)構(gòu)和刀柄不兼容。
2)由于過定位安裝,，必須嚴(yán)格控制錐面基準(zhǔn)線與法蘭端面的軸向位置精度,，與之相應(yīng)的主軸也必須控制這一軸向精度，使其制造工藝難度較大,。
3)柄部為空心狀態(tài),，裝夾刀具的結(jié)構(gòu)必須設(shè)置在外部，增加了整個(gè)刀具的懸伸長度,，車床影響刀具的剛性,。
4)從保養(yǎng)的角度來看，HSK刀柄錐度較小,，加工中心錐柄近于直柄,，加之錐面、法蘭端面要求同時(shí)接觸,，使刀柄的修復(fù)重磨很困 難,，經(jīng)濟(jì)性欠佳。
5)成本較高,，刀柄的價(jià)格是普通標(biāo)準(zhǔn)7：24刀柄的1．5—2倍,。
6)錐度配合過盈量較小(是KM結(jié)構(gòu)的1／5—1／2)，數(shù)據(jù)分析表明,，按DIN公差制造的HSK刀柄在8 000—20 000r?min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),，由于主軸錐孔的離心擴(kuò)張，會出現(xiàn)徑向間隙,。
7)極限轉(zhuǎn)速比KM刀柄低,，且由于HSK的法蘭也是定位面，加工中心一旦污染,，會影響定位精度,，所以采用HSK刀柄必須有附加清潔措施。
(2)HSK刀柄的主要類型及其特點(diǎn) 按DIN的規(guī)定,，HSK刀柄分為車床的六種型式,。A、B型為自動換刀刀柄,；加工中心C,、D型為手動換刀刀柄；E,、F型為無鍵聯(lián)接,、對稱結(jié)構(gòu)，適用于超高速的刀柄,。

高速切削主要應(yīng)用于回轉(zhuǎn)刀具,，要求機(jī)床主軸有較高的轉(zhuǎn)速,。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過10000r/min時(shí)，7∶24主軸錐孔的大端會擴(kuò)大,，使刀具發(fā)生軸向竄動，造成主軸抱死錐柄的后果,，因此傳統(tǒng)的7∶24錐柄連接已不能適應(yīng)高速切削的要求,。為此，德國早開發(fā)了適用于高速切削的HSK(空心短錐柄）連接技術(shù),，是德國阿亨(Aachen)工業(yè)大學(xué)機(jī)床研究所在20世紀(jì)90年代初開發(fā)的一種雙面夾緊刀柄,，它是雙面夾緊刀柄中比較有代表性的。

HSK刀柄已于1996年列入德國DIN標(biāo)準(zhǔn),，并于2001年12月成為標(biāo)準(zhǔn)ISO12164,，2004年我國根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)制訂了HSK刀柄和主軸接口的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T19449）。
與傳統(tǒng)的7∶24錐柄連接相比,，HSK連接可實(shí)現(xiàn)錐柄和法蘭端面兩面同時(shí)接觸,，由于其剛度和重復(fù)定位精度較標(biāo)準(zhǔn)7:24錐度柄提高了幾倍至幾十倍，因此在機(jī)械制造業(yè)得到了的認(rèn)同和采用,。HSK刀柄被用于銑削,、鉆削和車削加工中。
HSK刀柄與主軸連接結(jié)構(gòu)與工作原理這種刀柄結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是：有效地提高刀柄與機(jī)床主軸的結(jié)合剛度,。由于采用錐面,、端面過定位結(jié)合，使刀柄與主軸的有效接觸面積增大,，并從徑向和軸向進(jìn)行雙面定位,，大大提高了刀柄與主軸的結(jié)合剛度，克服了傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)7:24錐度柄在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)剛度不足的弱點(diǎn),。有較高的重復(fù)定位精度,，并且自動換刀動作快，有利于實(shí)現(xiàn)ATC的高速化,。由于采用1:10的錐度,，其錐部長度短(大約是7:24錐柄相近規(guī)格的一半)。每次換刀后刀柄與主軸的接觸面積一致性好,，故提高了刀柄的重復(fù)定位精度,。由于采用空心結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕,，便于自動換刀,。具有良好的高速鎖緊性。

BT刀柄
一般切削常用的是BT刀柄,，而高速切削用得比較多的是HSK刀柄,。

BT刀柄的錐度為7：24,，轉(zhuǎn)速在10,000r/min左右時(shí)，刀柄－主軸系統(tǒng)還不會出現(xiàn)明顯的變形,，但當(dāng)主軸從10,000 r/min升高到40,000 r/min時(shí),，由于離心力的作用，主軸系統(tǒng)的端部將出現(xiàn)較大變形,，其徑跳由0.2 m左右增加到2.8 m左右,。刀柄與主軸錐孔間將出現(xiàn)明顯的間隙，嚴(yán)重影響刀具的切削特性,，高速下離心力造成BT刀柄－主軸系統(tǒng)變形,，因此BT刀柄一般不能用于高速切削

 HSK刀柄錐的結(jié)構(gòu)形式與常用的BT刀柄不同，它是一種新型的高速錐型刀柄,，采用錐面與端面雙重定位的方式,，在足夠大的拉緊力作用下，HSK 1：10空心工具錐柄和主軸1：10錐孔之間在整個(gè)錐面和支承平面上產(chǎn)生摩擦,，提供封閉結(jié)構(gòu)的徑向定位,。平面夾緊定位防止刀柄的軸向竄動。HSK短錐柄部長度短（約為標(biāo)準(zhǔn)BT錐柄長度的1/2）,、重量輕,，因此換刀時(shí)間短。在整個(gè)速度范圍內(nèi),，HSK錐柄比BT（7：24）具有更大的動,、靜徑向剛度和良好的切削性能。國內(nèi)采用DIN6989b－1中的A型和C型標(biāo)準(zhǔn),，如HSK50A,、HSK63A、HSK100A等,。HSK50和HSK63刀柄的主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)25,000 r/min,，HSK100刀柄可達(dá)12,000r/min，平衡后的HSK刀柄可達(dá)40,000r/min,。隨著轉(zhuǎn)速增加,，徑向剛度將有所降低.

KM刀柄的結(jié)構(gòu)
KM刀柄是1987年美國Kennametal公司與德國Widia公司聯(lián)合研制的1:10短錐空心刀柄，其長度為標(biāo)準(zhǔn)7:24錐柄長度的1/3,。由于配合錐度比較短,，且刀柄設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)，在拉桿軸向拉力的作用下,，短錐可徑向收縮,，所以有效地解決了端面與錐面同時(shí)定位而產(chǎn)生的干涉問題。
研究表明：與BT刀柄相比,，HSK刀柄與KM刀柄具有更加*的靜剛度和動剛度,，其中由于KM刀柄的拉緊力與鎖緊力明顯大于HSK刀柄,，所以KM刀柄的性能比較優(yōu)良。它們的結(jié)構(gòu)及性能比較見表1,。

刀柄型號               BT40               HSK-63B               KM6350
柄部結(jié)構(gòu)特征      7:24實(shí)心            1:10空心              1:10空心
結(jié)合及定位部位      錐面              錐面+端面             錐面+端面
傳力結(jié)構(gòu) 彈性套筒 彈性套筒 鋼球
拉緊力/kN              12.1                  3.5                    11.2
鎖緊力/kN              12.1                  10.5                  33.5
過盈量/μm              ----                   3~10                 10-25

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