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高速切削技術(shù)及其刀柄結(jié)構(gòu)

來源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時(shí)間：2014-04-23 10:38:37點(diǎn)擊率：

　　摘要：高速切削技術(shù)是近十多年來發(fā)展 為迅速的先進(jìn)制造技術(shù)之一。文章在論述高速切削技術(shù)發(fā)展歷程和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，著重研究了高速切削技術(shù)中的刀柄結(jié)構(gòu)，包括HSK、KM及CAPTO，并比較了常用的BT刀柄S、KM刀柄的拉緊特性。對(duì)高速旋轉(zhuǎn)所帶來的特殊的動(dòng)平衡問題及其執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)也作了敘述。

　　1、概述

　　高速切削是一個(gè)相對(duì)概念，并且隨著時(shí)代的進(jìn)步而不斷變化。一般認(rèn)為高速切削或超高速切削的速度為普通切削加工的5～10倍?？梢詮牟煌慕嵌葘?duì)切削速度進(jìn)行劃分，如從加工工藝的角度看，高速切削加工范圍為：車削700~7000m/min;銑削300~6000m/min;鉆削200~1100m/min;磨削150~360m/min。也可以根據(jù)被加工材料來確定高速切削的范圍，如加工鋼材達(dá)到380m/min以上、鑄鐵700m/min以上、銅材1000m/min以上、鋁材1100m/min以上。也可以根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速、功率、錐孔大小、和平衡標(biāo)準(zhǔn)來劃分，如按主軸的Dn值劃分，高速主軸的Dn值一般為500000~2000000;對(duì)于加工中心，可按主軸錐孔的大小來劃分：50號(hào)錐——10000~20000r/min;40號(hào)錐——20000~40000r/min;30號(hào)錐——25000~40000r/min;HSK錐——20000~40000r/min;KM錐——35000r/min以上。而根據(jù)ISO—1940，高速主軸的轉(zhuǎn)速至少要超過8000r/min。1978年CIRP切削委員會(huì)將高速切削定為500～7500 m/min[1][2][3]。

　　研究表明：隨著切削速度的提高，切削力會(huì)降低15～30%以上，切削熱量大多被切屑帶走，加工表面質(zhì)量可提高1～2級(jí)，生產(chǎn)效率的提高，可降低制造成本20%～40%。所以高速切削意義不僅僅是得到較高的表面切削質(zhì)量[2]。

　　國(guó)外對(duì)高速切削技術(shù)的研究比較早，可以追溯到20世紀(jì)60年代。目前已應(yīng)用于航空、航天、汽車、模具等多種工業(yè)中的鋼、鑄鐵及其合金、鋁、鎂合金、 合金(鎳基、鉻基、鐵基和鈦基合金)及碳素纖維增強(qiáng)塑料等復(fù)合材料的加工，其中以加工鑄鐵和鋁合金 為普遍。加工鋼和鑄鐵及其合金可達(dá)到500～1500 m/min，加工鋁及其合金可達(dá)到3000～4000 m/min[3]。

　　我國(guó)在高速切削領(lǐng)域方面的研究起步較晚，20世紀(jì)80年代才開始研究高速硬切削。刀具以高速鋼、硬質(zhì)合金為主，切削速度大多在100～200 m/min，高速鋼在40 m/min以內(nèi)。切削水平和加工效率都比較低。近年來，雖然對(duì)高速切削技術(shù)已有比較深的認(rèn)識(shí)，進(jìn)口的部分?jǐn)?shù)控機(jī)床和加工中心中也能達(dá)到高速切削加工的要求，但由于刀具等原因，高速切削技術(shù)應(yīng)用也較少。目前主要在模具、汽車、航空、航天工業(yè)應(yīng)用高速切削技術(shù)稍多，一般采用進(jìn)口刀具，以加工鑄鐵和鋁合金為主[3]。

　　高速切削技術(shù)主要分為兩方面，一方面是高速切削刀具技術(shù)，包括刀具材料、刀柄和刀夾系統(tǒng)、刀具動(dòng)平衡技術(shù)、高速切削數(shù)據(jù)庫技術(shù)、檢測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)等;另一方面是高速數(shù)控機(jī)床技術(shù)，包括機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)熱態(tài)特性、電主軸、直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)、數(shù)控與伺服系統(tǒng)的高速及高加速度性能、軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)、刀具冷卻系統(tǒng)等。本文重點(diǎn)談?wù)劯咚偾邢骷夹g(shù)中的刀柄結(jié)構(gòu)。

　　2、典型的刀柄結(jié)構(gòu)及其特性

　　一般切削 常用的是BT刀柄，而高速切削用得比較多的是HSK刀柄。

　　BT刀柄的錐度為7：24，轉(zhuǎn)速在10,000r/min左右時(shí)，刀柄-主軸系統(tǒng)還不會(huì)出現(xiàn)明顯的變形，但當(dāng)主軸從10,000 r/min升高到40,000 r/min時(shí)，由于離心力的作用，主軸系統(tǒng)的端部將出現(xiàn)較大變形，其徑跳由0.2 m左右增加到2.8 m左右。刀柄與主軸錐孔間將出現(xiàn)明顯的間隙,嚴(yán)重影響刀具的切削特性，因此BT刀柄一般不能用于高速切削

　　HSK刀柄錐的結(jié)構(gòu)形式與常用的BT刀柄不同，它是一種新型的高速錐型刀柄，采用錐面與端面雙重定位的方式,在足夠大的拉緊力作用下，HSK 1：10空心工具錐柄和主軸1：10錐孔之間在整個(gè)錐面和支承平面上產(chǎn)生摩擦，提供封閉結(jié)構(gòu)的徑向定位。

　　平面夾緊定位防止刀柄的軸向竄動(dòng)。HSK短錐柄部長(zhǎng)度短(約為標(biāo)準(zhǔn)BT錐柄長(zhǎng)度的1/2)、重量輕，因此換刀時(shí)間短。在整個(gè)速度范圍內(nèi)，HSK錐柄比BT(7：24)具有更大的動(dòng)、靜徑向剛度和良好的切削性能。分為A、B、C、D、E、F型

　　國(guó)內(nèi)采用DIN6989b-1中的A型和C型標(biāo)準(zhǔn)，如HSK50A、HSK63A、HSK100A等。HSK50和HSK63刀柄的主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)25,000 r/min，HSK100刀柄可達(dá)12,000r/min，精密平衡后的HSK刀柄可達(dá)40,000r/min。隨著轉(zhuǎn)速增加，徑向剛度將有所降低

　　KM刀柄是1987年美國(guó)Kennametal公司與德國(guó)Widia公司聯(lián)合研制的1:10短錐空心刀柄，其長(zhǎng)度僅為標(biāo)準(zhǔn)7:24錐柄長(zhǎng)度的1/3。由于配合錐度比較短，且刀柄設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)，在拉桿軸向拉力的作用下，短錐可徑向收縮，所以有效地解決了端面與錐面同時(shí)定位而產(chǎn)生的干涉問題。

　　研究表明：與BT刀柄相比，HSK刀柄與KM刀柄具有更加優(yōu)越的靜剛度和動(dòng)剛度，其中由于KM刀柄的拉緊力與鎖緊力明顯大于HSK刀柄，所以KM刀柄的性能 。它們的結(jié)構(gòu)及性能比較見表1。

刀柄型號(hào) BT40 HSK-63B KM6350
刀柄結(jié)構(gòu)及主要尺寸
 
 
 
鎖緊機(jī)構(gòu)
 
 
 
柄部結(jié)構(gòu)特征 7:24實(shí)心 1:10空心 1:10空心
結(jié)合及定位部位 錐面 錐面+端面 錐面+端面
傳力結(jié)構(gòu) 彈性套筒 彈性套筒 鋼球
拉緊力/kN 12.1 3.5 11.2
鎖緊力/kN 12.1 10.5 33.5
過盈量/μm — 3~10 10-25

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