现代数控铣削对刀具系统的要求

1 前言

　　从1952年第一台数控机床问世至今，数控机床已经历了六次更新换代，总的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可靠性，其中“高速”一直是数控加工领域中十分关注并为之不懈努力的重要目标。在发达国家，高速加工已成为现代数控加工的主流。

　　与传统切削加工相比，高速加工具有很多优越性：切削力大致降低25％一30％以上，切削过程中的切削温度增加缓慢；加工表面粗糙度值降低l一2级；生产效率提高、生产成本降低。侧如，传统模具加工采用的“退火—铣削加工—热处理一磨削”或“电火花加工一手工打磨、抛光”等复杂冗长的工艺流程，而用高速加工可替代上述的全部工序。

　　高速加工包含几项关键的技术：刀具材料、刀柄系统、高速数控编程、安全问题等，下面主要从刀具系统技术作分析。

2 数控高速加工用的刀具系统

　　2.1 数控加工用的刀具

　　刀具是高速切削加工中最活跃重要的因素之一，它直接影响着加工效率、制造成本和产品的加工精度。刀具在高速加工过程中要承受高温、高压、摩擦、冲击和振动等载荷，高速切削刀具应具有良好的机械性能和热稳定性，即具有良好的抗冲击、耐磨损和抗热疲劳的特性。高速切削加工的刀具技术发展速度很快，应用较多的刀具材料如硬质合金、涂层、立方氮化硼(CBN)、陶瓷、金刚石(PCD)。

　　(1)硬质合金

　　在各种刀具材料中，硬质合金占主导作用。细颗粒、超细颗粒硬质合金材料的开发显著提高了硬质合金的强度和韧性，用它制造的整体硬质合金刀具，如钻头、立铣刀、丝锥等，相比传统的高速钢刀具，切削速度和加工效率大幅度提高。

　　(2)涂层

　　涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物(也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而获得的。涂层的作用是使刀具和所切削的工件材料分隔开来，起到减小刀具磨损、粘结和隔热的作用，从而延长刀具的使用寿命。氮碳化钛(TiCN)涂层和氮铝钛(TiAlN)涂层是高速铣削模具钢时最常用的两种刀具涂层。

　　(3)超硬刀具材料

　　陶瓷、立方氮化硼(CBN)和聚晶金刚石(PCD)越来越成为“普通的”刀具材料。其中，PcD具有特别高的硬度和耐磨性，用于加工铝合金等非铁材料有很高的生产率和过程可靠性。CBN的硬度仅次于PCD，由于热稳定性好而适合于加工淬硬钢、冷硬铸件和喷焊材料。

　　2.2 数控加工用的刀柄

　　刀具系统的刚性一直是机械加工中被重视的主要问题之一。刚性不足会引起刀具的振动或发生刀具倾斜，影响加工精度、加工效率。并且因为刀具的振动会加快刀具的磨损，甚至影响刀具及机器的寿命。如果将刀柄杆部近似成一实心圆柱刚体，那它的刚性与截面直径的4次方成正比，与柱长的3次方成反比。也就是说，一把刀柄在它的质量限定后，当然越粗越短刚性便越强。

　　常规数控刀具刀柄均采用7：24圆锥工具柄，并采用相应类型的拉钉拉紧结构(如图1所示BT40刀柄)。

图1 BT40刀柄

　　高速加工要求确保高速下主轴与刀具的连接状态不发生变化。但是传统主轴的7：24前端锥孔在高速运转的条件下，由于离心力的作用会发生膨胀，膨胀量的大小随着旋转半径与转速的增大而增大；但是与之配合的7：24实心刀柄膨胀量则较

小，因此总的锥度连接刚度会降低，在拉杆拉力的作用下，刀具的轴向位置也会发生变化，同时主轴锥孔的呈“喇叭口”状扩张，会引起刀具及夹紧机构质心的偏离，从而影响主轴的动平衡。要保证这种连接在高速下仍有可靠的接触，需有一个很大的过盈量来抵消高速旋转时主轴锥孔端部的膨胀，这就要求拉杆产生很大的拉力，这拉力对快速换刀非常不利，同时对主轴前轴承也有不良的影响。

　　高速加工对动平衡要求非常高，要求刀具与装夹机构具有精确的动平衡。但是传递转矩的键和键槽会破坏这个动平衡。另外7：24锥柄采用单独锥面定位，定位面长，很难实现全长无间隙配合，如存在间隙会引起刀具的径向圆跳动，从而影响主轴组件整体结构的动平衡。

　　基于以上分析，常规7：24刀具刀柄不适宜高速加工。目前在高速加工中心上应用较多的是德国的HsK高速刀柄。HSK刀柄中空，质量轻，自动换刀动作快，可缩短移动时问；采用1：10的锥度，与7：24锥度相比锥部较短，楔形效果较好，有较强的抗扭能力，能抑制因振动产生的微量位移；刀柄与主轴间由扩张爪锁紧，转速越高，扩张爪的离心力(扩张力)越大，锁紧力越大。HsK刀柄自身有较大的弹性变形，可能因为主轴内孔的膨胀而造成刀柄本身也膨胀。所以它对制造时的公差精度要求相对较松。但也正因为它是中空短柄，所以刚性、强度要受到一定程度的影响。

　　无论如何，HSK刀柄弥补了传统刀柄的许多不足，必将成为刀具系统的主流，被誉为21世纪的刀柄。

3 结束语

　　现代数控铣削技术是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术，它广泛应用于模具工业和汽车工业领域。随着科学技术的进步，现代数控铣削对刀具提出了越来越高的要求。由于其具有传统加工无可比拟的优势，仍将是我国今后数控加工技术必然的发展方向。