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高速切削加工刀具技術研究

時間:2011-05-24 08:41:03 來源:未知
代表現(xiàn)代機械加工主流方向的高速切削加工,因順應了21 世紀機械加下高效率、高精度、柔性與綠色化的要求而得到了迅猛發(fā)展。高速加工的最大特點是在極大滿足高效生產(chǎn)的同時,也大大提高了被加工零件的加工精度和表面質(zhì)量。運用高速加工的“一次過”技術,可將傳統(tǒng)的粗精加工一次加工完成,既可獲得高質(zhì)量的加工表面,又省去了傳統(tǒng)的若干工序,使加工效率得以極大提高。隨著電主軸在機床中的普遍應用,制約機床切削速度不斷提高的因素已不僅僅是機床主軸本身,適宜高速切削加工要求的刀具系統(tǒng)與技術的研究已成為影響高速加工不斷發(fā)展的重要因素。因此,深入研究高速加工對刀具系統(tǒng)提出的新要求,開發(fā)適宜高速加下要求的刀具系統(tǒng)具有十分重要的意義。本文針對傳統(tǒng)刀具在高速加工中存在的弊端,在認真分析高速加工對刀具系統(tǒng)要求的基礎上,論述了適宜高速加工要求的刀具系統(tǒng)的技術方法。

1 高速切削加工對刀其系統(tǒng)的要求

高速切削加工不僅僅是主軸轉(zhuǎn)速的提高,而是指整體加工時間的縮短。因此,高速切削加工不僅要求切削刀具具有很高的剛性、安全性、柔性、動平衡特性和操作方便性,而且對刀具系統(tǒng)與機床接口的連接剛度、精度以及刀柄對刀具的夾持力與夾持精度等都提出了很高的要求。
所謂刀具系統(tǒng)即由裝夾刀柄與切削刀具所組成的完整刀具體系。裝夾刀柄與機床接口相配,切削刀具直接加工被加工零件,兩者極為重要。高速切削加工刀具系統(tǒng)必須滿足以下要求:
  1. 刀具結構的高度安全性 作為應用于高速切削加工的刀具系統(tǒng),其結構必須具有高度安全性,以防止刀具高速回轉(zhuǎn)時刀片飛出,并保證旋轉(zhuǎn)刀片在2倍于最高轉(zhuǎn)速時不破裂。
  2. 刀具系統(tǒng)優(yōu)異的動平衡性 用于高速加工的刀具系統(tǒng)的動平衡性能是至關重要的。由理論力學知識可知,離心力F=mrw2,當?shù)毒呦到y(tǒng)動平衡性能較差時,高速旋轉(zhuǎn)的刀具會產(chǎn)生很大的離心力,從而引起刀桿彎曲并產(chǎn)生震動,其結果將使被加工零件質(zhì)量降低,甚至導致刀具損壞。
  3. 高的系統(tǒng)剛性 刀具系統(tǒng)的靜、動剛性是影響加工精度及切削性能的重要因素。刀具系統(tǒng)剛性不足將導致刀具系統(tǒng)振動或傾斜,使加工精度和加工效率降低。同時,系統(tǒng)振動又會使刀具磨損加劇,降低刀具和機床使用壽命。
  4. 高的系統(tǒng)精度 系統(tǒng)精度包括系統(tǒng)定位夾持精度與刀具重復定位精度以及良好的精度保持性。具備以上精度要求的刀具系統(tǒng),才能保證高速加工整個系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性,從而滿足高速、高精加工工件的要求。
  5. 高的互換性 對模塊式刀具系統(tǒng)而言,需要刀具系統(tǒng)具有更高的靈活性,以便通過調(diào)整或組裝,迅速適應不同零件的加工需要。此外,刀具與機床的接口應采用相同的刀柄系統(tǒng),以減少不必要的庫存。
  6. 高效性 刀具系統(tǒng)必須具備高質(zhì)量、高使用壽命的刀具,以滿足高速高效加工工件的要求。
  7. 高適應性 刀具系統(tǒng)應具有加工多種硬度材質(zhì)的能力,以滿足高速加工各種工件的要求。

2 傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)存在的問題

  1. 刀具定位精度和重復定位精度低 高速加工時,由于離心力的作用,主軸錐孔與刀具錐柄均發(fā)生徑向擴張。當錐柄擴張量小于主軸錐孔擴張量時,出現(xiàn)配合間隙。于是,在拉緊螺釘拉緊力的作用下,錐柄帶動刀具軸向位移,導致刀具在高速加下時軸向定位精度降低。
    同時.刀柄與主軸錐孔只靠錐面配合連接,軸向剛度較低,導致刀具重復定位精度較低。
  2. 刀具動態(tài)與靜態(tài)剛度低刀具高速旋轉(zhuǎn)時,在離心力作用下,主軸錐孔軸向擴張量的差異,使得本來由錐面結合的低剛性連接的剛度進一步降低。
  3. 刀柄錐部較長,不利于快速換刀和機床主軸的小型化。
由于以上原因,傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)已不能滿足高速切削加工的需要,必須研究開發(fā)適宜高速切削加工的刀具系統(tǒng)。 #p#分頁標題#e#

3 基于高速切削加工的刀具技術

  1. 刀具材料技術
    高速切削加工對材料的主要要求是:良好的高溫化學性能、熱物理性能、化學穩(wěn)定性、抗涂層破裂性、抗粘接性和抗熱振性。高速切削加工刀具材料必須按被加工工件材質(zhì)和加工特性進行選擇,并配以合理的切削條件,才能發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。對于鋼、鑄鐵等黑色金屬,宜選用陶瓷、金屬陶瓷及立方氮化硼刀具,對于鋁、鎂等有色金屬,宜選用PCD 和CVD等刀具材料。目前,在美國航天航空工業(yè)中,銑削鋁合金的切削速度已達7,500m/min、,其切削速度主要受限于機床主軸轉(zhuǎn)速。對于鋼、鑄鐵等黑色金屬,高速切削中達到的切削速度為加工鋁合金的1/3~1/5 ,約為1,000~1,200m/min ,其速度主要受限于刀具材料的耐熱性,而未來高速切削的目標是:銑削鋁合金的切削速度為10,000m/min 。鑄鐵為5,000m/min ,普通鋼材為2,500m/min ,而鉆削鋁合金、鑄鐵、普通鋼的速度為30,000m/in 、20,000m/min和10,000m/min , 在未來高速和超高速加工中,超硬刀具材料(如PCD 、PCBN )、陶瓷刀具、涂層刀具、TiC(N)基硬質(zhì)合金刀具等刀具材料將發(fā)揮重要作用。
  2. 刀其系統(tǒng)接口技術
    刀具系統(tǒng)接口技術包括刀具—機床接口技術與刀具—刀柄接口技術。
    1. 刀具—機床接口技術
      為了克服傳統(tǒng)刀柄僅僅依靠錐面定位導致的不利影響,一些科研機構和刀具制造商研究開發(fā)了一種能使刀柄在主軸內(nèi)孔錐面和端面同時定位的新型連接方式—兩面約束過定位夾持系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有很高的接觸剛度和重復定位精度,夾緊可靠。目前,該系統(tǒng)主要有短錐柄和7:24長錐柄兩種形式。雖然7:24錐柄具有與傳統(tǒng)BT刀柄可以互換,并可方便安裝于主軸錐孔錐度為7:24的機床上,可提高刀柄與主軸的連接剛度和精度等優(yōu)點,但從切削速度日趨提高的高速加工的發(fā)展趨勢來看,錐度為1:10的短錐柄的刀柄結構的發(fā)展前景更為廣闊。目前,短錐柄的兩面約束刀柄主要有HSK、KM、NT、BIG-PLUS等幾種。

      1.刀柄 2.拉桿 3.主軸 4.彈簧套
      圖1

      1.刀柄 2.拉桿 3.鎖緊鋼球 4.鎖閉桿
      圖2

      圖3
      HSK刀柄的錐柄部分采用錐度為1:10 的中空短錐柄,其結構如圖1所示。當?shù)侗c主軸連接時,依靠短錐刀柄在主軸錐孔內(nèi)定心。當短錐刀柄與主軸錐孔緊密接觸時.在端面間尚有0.1左右的間隙,在拉緊力作用下,利用中空刀柄的彈性變形補償該間隙,以實現(xiàn)與主軸錐面和端面雙面約束定位。此時,短刀柄與主軸錐孔間的過盈量約3~10 µm。由于中空刀柄具有較大的彈性變形,因此對刀柄的制造精度要求相對較低。此外,由于HSK刀具系統(tǒng)柄部短、質(zhì)量小,有利于機床自動換刀和機床小型化。但其中空短錐柄結構亦會使系統(tǒng)剛度與強度受到影響。HSK刀柄有A、B、C、D、E等多種形式,其中HSK40A 、HSK40E 、HSK63E的極限轉(zhuǎn)速可達到4,200r/min 、5,5000r/min 、3,2500r/min 。
      由美國肯納公司研究開發(fā)的KM(Kennametal )模塊系統(tǒng)——兩面夾刀具系統(tǒng),其結構如圖2所示。它采用了三點定位方式,既可用于車床又可用于車削中心和加工中心。由于它結構獨特,具有高速、高剛性、高精度的優(yōu)點,正在被越來越多的機床廠家所采用。與HSK刀柄相比,KM刀柄與主軸錐孔間的過盈量高約2~5倍,如KM6350(相當于BT40)的過盈量為10~25µm,其實際應用中,KM6350和KM4032的轉(zhuǎn)速分別達到36,000r/min和50,000r/min。HSK和KM兩系統(tǒng)的剛度比較如圖3。
      BIG-PLUS刀具系統(tǒng)采用7:24 錐度,其結構設計可保證刀柄主軸與主軸端面的間隙約0.2 左右,鎖緊時可利用主軸內(nèi)孔的彈性膨脹對該間隙進行補償,以確保刀柄與主軸端面貼緊。 #p#分頁標題#e#
      兩面約束夾持系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)工具系統(tǒng)的許多不足,代表了刀具一機床接口技術的主流方向,必將得到越來越廣泛的應用。目前,國外已研發(fā)了多種結構形式的兩面約束夾持系統(tǒng),由于該系統(tǒng)具有重復定位精度高、動靜剛度高等一系列優(yōu)點,可滿足高速加工的要求。
    2. 刀具一刀柄接口技術
      刀柄對刀具的夾持力的大小和夾持精度的高低,在高速切削中具有十分重要的位置。如果刀柄對刀具夾持不牢固,輕則降低加工精度,重則導致刀具及工件損壞,甚至引發(fā)安全事故。
      提高刀具系統(tǒng)夾持精度,就必須設法使刀具得到精密可靠定位,確保足夠夾持力,就必須嚴格控制和提高刀具系統(tǒng)配合精度、加大夾持長度、優(yōu)化結構設計及合理選材。目前,適宜高速切削加工的刀具夾頭主要有以下幾種:
      1. 熱縮夾頭 利用刀柄裝刀孔熱脹冷縮使刀具可靠夾緊。它是一種無夾緊元件的夾頭,結構簡單對稱、夾緊力大。
      2. 高精度彈簧夾頭 由日本大昭和精機株式會社生產(chǎn)的高精度彈簧夾頭,采用錐角12°錐套,所有夾頭都經(jīng)平衡修整,以適應高速加工的要求。目前,這種夾頭的轉(zhuǎn)速可達30,000~40,000r/min。
      3. 高精度液壓夾頭 BlG-PLUS刀具系統(tǒng)的高精度液壓夾頭采用兩點夾持的一體型構造,具有很高的夾持力和夾持精度,且減小了夾頭質(zhì)量。
      4. 高精度靜壓膨脹式夾頭 由德國雄克公司生產(chǎn)的高精度靜壓膨脹式夾頭,通過擰緊加壓螺栓提高油腔內(nèi)的油壓,使油腔內(nèi)壁均勻?qū)ΨQ的向軸線方向膨脹,以夾緊刀具。該夾頭夾持精度極高,其徑向跳動小于3µm。
      5. 三棱變形夾頭 該夾頭利用夾頭本身的變形力夾緊刀具,其自由狀態(tài)為三棱形,裝夾刀具時,利用液力作用使夾頭內(nèi)孔變?yōu)閳A形,撤消外力后,內(nèi)孔重新收縮為三棱形,以實現(xiàn)對刀具三點夾緊。該夾頭具有結構緊湊、定位精度高(可達3µm以下)且對稱、刀具裝夾簡單等恃點。
      6. 新穎結構夾頭 由Sandvik 公司新推出的Coro Grip夾頭,借助液壓裝置推動錐套,在3D處測量,其徑向跳動可達2~6µm,這種夾頭夾緊更為可靠,其剛性高于液壓夾頭,裝夾時間短于熱縮夾頭。ISCAR公司推出的圓柱柄新型裝夾方式,不僅保證端面接觸,而且能在半個圓周面上形成夾緊力,提高了夾持剛性。
  3. 刀具平衡技術
    高速加工對刀具的動平衡技術提出了很高的要求。一般情況下,銑刀刀柄—彈簧夾頭可通過平衡修整來達到動平衡。如日本NT公司推出的高平衡等級熱縮夾頭(SK3、SK4~6)的適用轉(zhuǎn)速可達70,000r/min , SR10~20可達50,000r/min 。對于帶微調(diào)機構的精鏜頭,為了平衡調(diào)節(jié)加工直徑時重心的改變,日本大昭和精機株式會社推出了一種可進行自動平衡補償?shù)溺M頭—EWB ,用于加工孔徑為Ø32~105和Ø2~Ø42的高速精鏜頭EWB32~105和EWB2 ~50 ,其極限切削速度可達20,000r/min。

4 刀具設計技術

高速切削刀具設計技術包括刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化選擇、刀休安全結構設計、刀片夾緊機構設計等技術。
高速切削刀具損壞的主要特征是:刀具刀尖熱磨損和刀具切削刃邊界的缺口破損。因此,用于高速加工刀具的前角應比普通刀具小(g≤0°) ,后角應比普通刀具大(5°~8°),主、副切削刃連接處應采用修圓刀尖或倒角刀尖,以提高刀具剛性和減小切削刀具破損的概率。
刀具結構設計應根據(jù)被加工材料和工序優(yōu)化組合刀具材料、涂層和槽型功能,開發(fā)具有最佳切削效果的刀片結構。如ISCAR公司和日本三菱公司推出的多功能刀片,具有空間切削刃和曲面前刀面,切削力小,刃口強度高,高速加工時抗磨損能力強,可謂高速加工切削刀具刃型結構的代表。
此外,刀具夾緊結構亦應適應高速加工要求,比如采用新型刀片夾緊結構以防刀片飛出,刀體小質(zhì)量輕型化設計、標明最高極限轉(zhuǎn)速及刀片夾緊力矩等。 #p#分頁標題#e#

5 結語

高速切削加工已成為機械制造的主流發(fā)展方向,因此,適宜高速切削加工的刀具系統(tǒng)技術的研究具有十分重要的意義。隨著先進制造技術及材料技術和納米技術的發(fā)展,新的多元、復合、納米級的硬質(zhì)涂層及CVD金剛石薄膜等功能材料、超硬刀具材料、陶瓷刀具、涂層刀具等將得到廣泛應用,高速切削刀具系統(tǒng)將日趨完善,成為推動高速切削加工的重要組成部分。

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