高速加工的刀具技术

互联网 2014-06-04

1.绪言

众所周知，高精度化、高效率化、低成本、快速交货等问题是机械加工行业的永久的课题。特别是近些年，市场结构、市场需要日新月异，更对机械加工提出了更高的要求。再加上加工机械、刀具、刃具以及CAD/CAM技术的不断进步，整个世界机械加工行业迅速地向高速化发展。

2.高速加工的优越性

高速加工之所以令人注目，是因为它具有如下的优越性(图1)。以模具加工为例，过去一般的是分为

高速加工的优越性

粗加工→中精加工→精加工→电火化加工→磨光加工等多个加工工程，而采用高速后，可以将这些加工集中为一个工程，而且由于加工精度的提高，磨光工程也可也省去。这样不但减少了加工时间及工程间的准备时间，也减少了机器设备及工具设备的数量，提高了整体效率。

当然，要实现高速加工，除主轴高速化以外还存在着有关刀具系统、刃具系统等各种各样的课题。下面就高速加工对刀具系统的要求以及当今的刀具系统技术作一简单分析。

3.高速加工对刀具系统的要求

刀具介在于机器与刃具之间，刀具的性能不但直接影响加工精度和加工效率，同时也影响机器与刃具的寿命。特别是高速加工，要求刀具系统具备以下特点:

①高刚性　　　　　　　②高定位精度

③平衡性　　　　　　　④耐破损性

⑤高把持精度　　　　　⑥强把持力

⑦柔软性

针对这些要求，刀具厂家作多种努力，而两面拘束刀具系统是近些年来最令人注目的。

4.两面拘束刀具系统

两面拘束系统BIG+PLUS

所谓两面拘束，简单地说即是刀柄与主轴的锥面及端面同时密接。下面以最近较流行的、也是比较实用的两面拘束刀具系统【BIG+PLUS】为例分析两面拘束刀具对于高速加工的适应性。

4-1　径向刚性

图2(a)是一般的BT系统，图2(b)是两面拘束刀具【BIG+PLUS】系统。显而易见，和BT系统相比【BIG+PLUS】系统具有更大的保持力矩，从而获得更强的刚性(图3)

两面拘束系统的刚性

4-2　跳动精度和重复精度的提高

跳动精度是影响加工的一个重要因素。例如用立铣刀进行精加工时，因进刀量较小，如果跳动精度不好，每个刃的切削量就不一样。这不但使切削量大的刃加快磨损，而且直接影响到加工面。甚至因切削量小的刃从工件表面擦过而使刀、刃具发生颤振。　　要解决这个问题，当然需要提高主轴、刀柄、刃具的跳动精度，刀具交换时的装入主轴的误差也不容忽视。　　和普通BT刀柄相比，两面拘束刀柄【BIG+PLUS】不但有锥面的求心性，而且由于刀柄与主轴端面密接，可保持其径向的水平定位。当然这要求刀柄及主轴端面的水平度和平坦度非常高。图4是普通BT刀柄和两面拘束刀柄【BIG+PLUS】在ATC时的重复精度比较。

ATC的重复精度

高速转动时主轴的内径膨胀

另外，主轴高速转动时因为离心力的作用，其锥孔内径增大(图5)，在拉力P的作用下刀柄将发生轴向变位而影响加工精度。甚至会妨碍ATC的正常工作。　　而【BIG+PLUS】刀具由于与主轴端面密接，所以轴向尺寸几乎不变。

4-3.刀具的平衡精度

任何旋转体在转动过程中都要受到离心力的作用:

m:旋转体的质量(kg)　 ω:角速度 r:重心与轴心间的距离(m)

如果旋转体完全处于动平衡状态，也即重心与轴心一致，即可看着离心力F=0。如果旋转体处于非动平衡状态，比如一刀具质量为2kg、偏重心距离为10μm，在20000转时受的离心力为:

因此离心力的作用而使刀具发生弯曲:

挠度

L:力臂长　 E :弹性模量 I:断面挠矩

在此状态下进行加工，直接影响工具寿命、加工精度以及加工效率。

刀具的平衡精度一般用G等级来表示。越是高速、高精度加工对G的要求也越高。

N:转速(rpm)　　 r:半径(mm) m:非平衡质量(g)　M:刀具的质量(g)

由此可见，高速转动时(N增大)要维持或提高G等级，就是要尽量地减小非平衡质量m，对于刀柄来说在存库前的平衡修正就相当重要。

另外，为防止螺母因构造不均匀而发生破损以及减少高速转动时的噪音和阻力，所有MEGA系列的螺母都没有扳手槽。因而专门设计了MEGA系列产品用的MEGA扳手(图8)。此扳手采用单方向离合器原理，只要调换扳手的上下方向就可以进行锁紧或松开的操作。

4-4.刀具的把持精度

即使刀柄具有很高的平衡精度，但如果把持精度不好，在夹持刃具后整体的平衡精度也会被破坏。特别是现代高速加工，使用的刃具多以硬质合金材料为主流。硬质合金刃具的硬度高、耐磨损性好、但相对来说韧性较差，如无高精度(平衡精度、跳动精度)的刀柄作保证，在高速加工时不但会影响加工精度，同时使刃具寿命缩短、甚至折损、损坏工件、影响到整体的生产效率。