1 前言

　　從1952年第一臺數(shù)控機(jī)床問世至今，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)歷了六次更新?lián)Q代，總的發(fā)展趨勢是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可靠性，其中“高速”一直是數(shù)控加工領(lǐng)域中十分關(guān)注并為之不懈努力的重要目標(biāo)。在發(fā)達(dá)國家，高速加工已成為現(xiàn)代數(shù)控加工的主流。

　　與傳統(tǒng)切削加工相比，高速加工具有很多優(yōu)越性：切削力大致降低25％一30％以上，切削過程中的切削溫度增加緩慢；加工表面粗糙度值降低l一2級；生產(chǎn)效率提高、生產(chǎn)成本降低。側(cè)如，傳統(tǒng)模具加工采用的“退火—銑削加工—熱處理一磨削”或“電火花加工一手工打磨、拋光”等復(fù)雜冗長的工藝流程，而用高速加工可替代上述的全部工序。

　　高速加工包含幾項關(guān)鍵的技術(shù)：刀具材料、刀柄系統(tǒng)、高速數(shù)控編程、安全問題等，下面主要從刀具系統(tǒng)技術(shù)作分析。

2 數(shù)控高速加工用的刀具系統(tǒng)

　　2.1 數(shù)控加工用的刀具

　　刀具是高速切削加工中最活躍重要的因素之一，它直接影響著加工效率、制造成本和產(chǎn)品的加工精度。刀具在高速加工過程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動等載荷，高速切削刀具應(yīng)具有良好的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性，即具有良好的抗沖擊、耐磨損和抗熱疲勞的特性。高速切削加工的刀具技術(shù)發(fā)展速度很快，應(yīng)用較多的刀具材料如硬質(zhì)合金、涂層、立方氮化硼(CBN)、陶瓷、金剛石(PCD)。

　　(1)硬質(zhì)合金

　　在各種刀具材料中，硬質(zhì)合金占主導(dǎo)作用。細(xì)顆粒、超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金材料的開發(fā)顯著提高了硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性，用它制造的整體硬質(zhì)合金刀具，如鉆頭、立銑刀、絲錐等，相比傳統(tǒng)的高速鋼刀具，切削速度和加工效率大幅度提高。

　　(2)涂層

　　涂層刀具是在強(qiáng)度和韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼基體表面上，利用氣相沉積方法涂覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物(也可涂覆在陶瓷、金剛石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而獲得的。涂層的作用是使刀具和所切削的工件材料分隔開來，起到減小刀具磨損、粘結(jié)和隔熱的作用，從而延長刀具的使用壽命。氮碳化鈦(TiCN)涂層和氮鋁鈦(TiAlN)涂層是高速銑削模具鋼時最常用的兩種刀具涂層。

　　(3)超硬刀具材料

　　陶瓷、立方氮化硼(CBN)和聚晶金剛石(PCD)越來越成為“普通的”刀具材料。其中，PcD具有特別高的硬度和耐磨性，用于加工鋁合金等非鐵材料有很高的生產(chǎn)率和過程可靠性。CBN的硬度僅次于PCD，由于熱穩(wěn)定性好而適合于加工淬硬鋼、冷硬鑄件和噴焊材料。

　　2.2 數(shù)控加工用的刀柄

　　刀具系統(tǒng)的剛性一直是機(jī)械加工中被重視的主要問題之一。剛性不足會引起刀具的振動或發(fā)生刀具傾斜，影響加工精度、加工效率。并且因為刀具的振動會加快刀具的磨損，甚至影響刀具及機(jī)器的壽命。如果將刀柄桿部近似成一實心圓柱剛體，那它的剛性與截面直徑的4次方成正比，與柱長的3次方成反比。也就是說，一把刀柄在它的質(zhì)量限定后，當(dāng)然越粗越短剛性便越強(qiáng)。

　　常規(guī)數(shù)控刀具刀柄均采用7：24圓錐工具柄，并采用相應(yīng)類型的拉釘拉緊結(jié)構(gòu)(如圖1所示BT40刀柄)。

圖1 BT40刀柄

　　高速加工要求確保高速下主軸與刀具的連接狀態(tài)不發(fā)生變化。但是傳統(tǒng)主軸的7：24前端錐孔在高速運轉(zhuǎn)的條件下，由于離心力的作用會發(fā)生膨脹，膨脹量的大小隨著旋轉(zhuǎn)半徑與轉(zhuǎn)速的增大而增大；但是與之配合的7：24實心刀柄膨脹量則較

小，因此總的錐度連接剛度會降低，在拉桿拉力的作用下，刀具的軸向位置也會發(fā)生變化，同時主軸錐孔的呈“喇叭口”狀擴(kuò)張，會引起刀具及夾緊機(jī)構(gòu)質(zhì)心的偏離，從而影響主軸的動平衡。要保證這種連接在高速下仍有可靠的接觸，需有一個很大的過盈量來抵消高速旋轉(zhuǎn)時主軸錐孔端部的膨脹，這就要求拉桿產(chǎn)生很大的拉力，這拉力對快速換刀非常不利，同時對主軸前軸承也有不良的影響。

　　高速加工對動平衡要求非常高，要求刀具與裝夾機(jī)構(gòu)具有精確的動平衡。但是傳遞轉(zhuǎn)矩的鍵和鍵槽會破壞這個動平衡。另外7：24錐柄采用單獨錐面定位，定位面長，很難實現(xiàn)全長無間隙配合，如存在間隙會引起刀具的徑向圓跳動，從而影響主軸組件整體結(jié)構(gòu)的動平衡。

　　基于以上分析，常規(guī)7：24刀具刀柄不適宜高速加工。目前在高速加工中心上應(yīng)用較多的是德國的HsK高速刀柄。HSK刀柄中空，質(zhì)量輕，自動換刀動作快，可縮短移動時問；采用1：10的錐度，與7：24錐度相比錐部較短，楔形效果較好，有較強(qiáng)的抗扭能力，能抑制因振動產(chǎn)生的微量位移；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。HsK刀柄自身有較大的彈性變形，可能因為主軸內(nèi)孔的膨脹而造成刀柄本身也膨脹。所以它對制造時的公差精度要求相對較松。但也正因為它是中空短柄，所以剛性、強(qiáng)度要受到一定程度的影響。

　　無論如何，HSK刀柄彌補(bǔ)了傳統(tǒng)刀柄的許多不足，必將成為刀具系統(tǒng)的主流，被譽為21世紀(jì)的刀柄。

3 結(jié)束語

　　現(xiàn)代數(shù)控銑削技術(shù)是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)，它廣泛應(yīng)用于模具工業(yè)和汽車工業(yè)領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代數(shù)控銑削對刀具提出了越來越高的要求。由于其具有傳統(tǒng)加工無可比擬的優(yōu)勢，仍將是我國今后數(shù)控加工技術(shù)必然的發(fā)展方向。