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刀具高速切削加工技术

 

 

现代机械加工主流方向的高速切削加工,因顺应了21 世纪机械加下高效率、高精度、柔性与绿色化的要求而得到了迅?#22836;?#23637;。高速加工的最大特性是在极大满足高效生产的同时,也大大提高了被加工零件的加工精度和表面质量。运用高速加工的“一次过”技术,可将传?#36710;?#31895;精加工一步加工完成,既可获得高质量的加工表面,?#36136;?#21435;了传?#36710;?#33509;干工序,使加工效率得以极大提高。随着电主轴在机床?#26800;?#26222;遍应用,制约机床切削速度不断提高的因素(factor)已不仅仅是机床主轴本身,适宜高速切削加工要求的刀具系统(system)与技术的研究已成为影响高速加工不断发展的重要因素。因此,深入研究高速加工对刀具系统提出的新要求,开发适宜高速加下要求的刀具系统具有十分重要的意义。本文针对传统刀具在高速加工中存在的弊端,在认真分析高速加工对刀具系统要求的基础上,讨论适宜高速加工要求的刀具系?#36710;?#25216;术方法。 

1、 高速切削加工对刀具系?#36710;?#35201;求
高速切削加工不仅仅是主轴转速的提高,而是指整体加工时间的缩短。。因此,高速切削加工不仅要求切削刀具具有很高的刚性、安全性、柔性、动平衡特性?#31570;?#20316;控制方便性,而且对刀具系统与机?#27493;?#21475;的连接刚度、精度(精确度)以及刀柄对刀具的夹持力与夹持精度等都提出了很高的要求。 

刀具系统(system):由装夹刀柄与切削刀具所组成的完整刀具体系。装夹刀柄与机?#27493;?#21475;(interface)相配,切削刀具直接加工被加工零件,两者极为重要。高速切削加工刀具系统必须满足以下要求: 
1) 刀具结构的高度安全性 作为应用于高速切削加工的刀具系统(system),其结构必须具有高度安全性,以防止刀具高速回转时刀片飞出,并保证旋转刀片在2倍于最高转速时不破裂。 
2) 刀具系统优异的动平衡性 用于高速加工的刀具系?#36710;?#21160;平衡性能是至关重要的。由理论力学知识可知,离心力F=mrw2,当刀具系统动平衡性能较差时,高速旋转的刀具会产生很大的离心力,从而引起刀杆弯曲并产生震动,其结果将使被加工零件质量降低,甚至导致刀具损坏。 
3) 高的系统刚性 刀具系?#36710;?#38745;、动刚性是影响(influence)加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚性不足将导致刀具系统振动或倾?#20445;?#20351;加工精度和加工效率降低。同时,系统振动又会使刀具磨损加剧,降低刀具和机床使用的时长。 
4) 很高的系统精度(精确度):系统精度包括系统定位夹持精度与刀具重复定位精度以及良好的精度保持性。具备以上精度要求的刀具系?#24120;?#25165;能保证高速加工整个系?#36710;?#38745;态和动态稳定(解释:稳固安定;没有变动)性,从而满足高速、高精加工工件的要求。 
5) 很好的互换性:对模块式刀具系统而言,需要刀具系统具有更高的灵活性,以便通过调整或组装,迅速适应不同零件的加工需要。此外,刀具与机床的接口应采用相同的刀柄系?#24120;?#20197;减少不必要的库存。 
6) 高效性:刀具系统必须具备高质量、高使用的时长的刀具,以满足高速高效加工工件的要求。 
7) 高适应性:刀具系统应具有加工多种硬度材质的能力,以满足高速加工各种工件的要求。
2、传统刀具系统存在的问题
1) 刀具定位精度(精确度)和重复定位精度低 高速加工时,由于离心力的作用,主轴锥孔与刀具锥柄均发生径向扩张。当锥柄扩张量小于主轴锥孔扩张量时,出现配合间隙。于是,在拉紧螺钉拉紧力的作用下,锥柄带动刀具轴向位移,导致刀具在高速加下时轴向定位精度降低。 
同时,刀柄与主轴锥孔只?#23380;?#38754;配合连接,轴向刚度?#31995;停?#23548;致刀具重复定位精度?#31995;汀?#27515;顶尖一种新型的机床附件,依靠驱动卡爪?#24230;?#24037;件端面使其随机床主轴旋转,从而替代传?#36710;?#40481;心?#22411;?#21644;卡盘,适用于轴类件的一次装夹,全长加工。
2) 刀具动态与静态刚度低刀具高速旋转时,在离心力作用下,主轴锥孔轴向扩张量的差异,使得本来由锥面结?#31995;?#20302;刚性连接的刚度进一步降低。 
3) 刀柄锥部?#38115;ぃ?#19981;利于快速换刀和机床主轴的小型化。
由于以上原因,传统{刀具}系统已不能满足高速切削加工的需要,必须研究开发适宜高速切削加工的刀具系统。
3 、基于高速切削加工的刀具技术
1) 刀具材料技术 
高速切削加工对材?#31995;?#20027;要要求是:良好的高温化学性能、热物理性能、化学稳定性、抗涂层破裂性、抗粘?#26377;?#21644;抗热振性。死顶尖一次装夹即可完成各轴颈、端面、槽型和螺纹加工;在车铣?#34892;?#19978;还可以一次完成键槽和油孔的加工,大大缩短了装夹辅助时间,和传?#36710;?#21345;?#22871;?#22841;相比加工效率提高2倍以上。高速切削加工刀具材料必须按被加工工件材料品质和加工特性进行选择,并配以合理的切削条件,才能发挥(表现出内在的能力)优异的切削性能。对于钢、铸铁等黑色金属,宜选用陶瓷、金属陶瓷及立方氮化硼刀具,对于铝、镁等有色金属,宜选用PCD 和CVD等刀具材料。目前,在美国航天航空工业中,铣削铝合金的切削速度已达7,500m/mi
  N、其切削速度主要受限于机床主轴转速。对于钢、铸铁等黑色金属,高速切削中达到的切削速度为加工铝(Al)合金的1/3~1/5 ,约为1,000~1,200m/min ,其速度主要受限于刀具材?#31995;?#32784;热性,而未来高速切削的目标是:铣削铝合金的切削速度为10,000m/min 。铸铁为5,000m/min ,普通钢材为2,500m/min ,而钻削铝合金、铸铁、普通钢的速度为30,000m/in 、20,000m/min和10,000m/min , 在未来高速和超高速加工中,超硬刀具材料(如PCD 、PCBN )、陶瓷刀具、涂层刀具、TiC(N)基硬质合金刀具等刀具材料将发?#21448;?#35201;作用。待续
 
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