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數(shù)控刀具高速切削加工技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2014-05-13 瀏覽:

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現(xiàn)代機(jī)械加工主流方向的高速切削加工，因順應(yīng)了21 世紀(jì)機(jī)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(diǎn)是在極大滿足高效生產(chǎn)的同時(shí)

，也大大提高了被加工零件的加工精度和表面質(zhì)量。運(yùn)用高速加工的“一次過”技術(shù)，可將傳統(tǒng)的粗精加工一步加工完成，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(jī)床中的普遍應(yīng)用

，制約機(jī)床切削速度不斷提高的因素已不僅僅是機(jī)床主軸本身

，適宜高速切削加工要求的刀具系統(tǒng)與技術(shù)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(rèn)真分析高速加工對刀具系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上

，討論適宜高速加工要求的刀具系統(tǒng)的技術(shù)方法

。

1、高速切削加工對刀具系統(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(shí)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(dòng)平衡特性和操作方便性

，而且對刀具系統(tǒng)與機(jī)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。

刀具系統(tǒng)：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(jī)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(jié)構(gòu)的高度安全性作為應(yīng)用于高速切削加工的刀具系統(tǒng)

，其結(jié)構(gòu)必須具有高度安全性，以防止刀具高速回轉(zhuǎn)時(shí)刀片飛出

，并保證旋轉(zhuǎn)刀片在2倍于最高轉(zhuǎn)速時(shí)不破裂

。

2) 刀具系統(tǒng)優(yōu)異的動(dòng)平衡性用于高速加工的刀具系統(tǒng)的動(dòng)平衡性能是至關(guān)重要的。由理論力學(xué)知識(shí)可知

，離心力F=mrw2

，當(dāng)?shù)毒呦到y(tǒng)動(dòng)平衡性能較差時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的刀具會(huì)產(chǎn)生很大的離心力

，從而引起刀桿彎曲并產(chǎn)生震動(dòng)

，其結(jié)果將使被加工零件質(zhì)量降低

，甚至導(dǎo)致刀具損壞。

3) 高的系統(tǒng)剛性刀具系統(tǒng)的靜

、動(dòng)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(dǎo)致刀具系統(tǒng)振動(dòng)或傾斜，使加工精度和加工效率降低

。同時(shí)

，系統(tǒng)振動(dòng)又會(huì)使刀具磨損加劇，降低刀具和機(jī)床使用壽命

。

4) 很高的系統(tǒng)精度：系統(tǒng)精度包括系統(tǒng)定位夾持精度與刀具重復(fù)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(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性

，從而滿足高速

、高精加工工件的要求。

5) 很好的互換性：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(yīng)不同零件的加工需要

。此外

，刀具與機(jī)床的接口應(yīng)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(yīng)性：刀具系統(tǒng)應(yīng)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(fù)定位精度低高速加工時(shí)

，由于離心力的作用，主軸錐孔與刀具錐柄均發(fā)生徑向擴(kuò)張

。當(dāng)錐柄擴(kuò)張量小于主軸錐孔擴(kuò)張量時(shí)

，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(dòng)刀具軸向位移，導(dǎo)致刀具在高速加下時(shí)軸向定位精度降低

。
同時(shí)

，刀柄與主軸錐孔只靠錐面配合連接，軸向剛度較低，導(dǎo)致刀具重復(fù)定位精度較低

。

2) 刀具動(dòng)態(tài)與靜態(tài)剛度低刀具高速旋轉(zhuǎn)時(shí)

，在離心力作用下，主軸錐孔軸向擴(kuò)張量的差異

，使得本來由錐面結(jié)合的低剛性連接的剛度進(jìn)一步降低

。

3) 刀柄錐部較長，不利于快速換刀和機(jī)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)

。

3

、基于高速切削加工的刀具技術(shù)

1) 刀具材料技術(shù)
高速切削加工對材料的主要要求是：良好的高溫化學(xué)性能、熱物理性能

、化學(xué)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(jìn)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(dá)7,500m/min、

，其切削速度主要受限于機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速

。對于鋼、鑄鐵等黑色金屬

，高速切削中達(dá)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(biāo)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。待續(xù)

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