| 摘要：高速切削加工切削速度、进给速度和加速度提高近一个数量级，对刀具技术提出新的要求并促进其不断发展。文章分析了由于旋转离心惯性力大幅度增大引起的刀具与夹紧装置机械故障及其预防保护措施，概括了高速切削常用的刀具材料、应用范围及制造新技术，归纳了加工中缓解刀具寿命下降的工艺措施，介绍了新型的激光刀具检测系统的性能、工作原理和优点，表明刀具技术的综合性、系统性。 |
1 刀具系统的机械故障与预防保护措施
- 如果主轴头部壁厚差别较大，当离心惯性力大幅度增大后，薄壁处刚度低径向扩张量显著增大，使刀柄径向晃动、无法定位，同时可能发生轴向错位移动而深入主轴，如图1所示。
- 如果刀体（刀盘）结构有明显薄弱之处，在很大的离心惯性力作用下会发生爆裂，如图2所示。
- 在离心惯性力作用下，刀片和紧固楔块可能发生径向位移而增大旋转半径，或者刀片紧固螺钉被剪断，如图3 所示。这是高速切削刀具容易发生的主要机械故障。
 图1 刀柄无法定位和传递动力 |
 图2 刀体（刀盘）爆裂破损 |
 图3 刀片紧固装置发生位移或破损 |
 图4 SK系列刀柄与HSK系列刀柄结构形状 |
- 在制造过程中，刀具与刀柄夹紧装置经过严格的静、动平衡，各自的不平衡质量大小必需降低到低于DIN/ISO 1940标准规定的数值：
- 采用不平衡质量小、夹紧力大的液压弹力夹头刀柄、热压装配刀柄以及与刀具一体的刀柄：
- 必要时采用全套在线、实时可调动平衡刀柄及附件装置，但其价格昂贵：
- 刀具实际工作的转速，不超过刀具与刀柄夹紧装置制造厂家注明的允许zui高转速，必要时可选用直径较小的刀具与刀柄夹紧装置来提高允许zui高转速：
- 采用新型的HSK 系列短锥空心刀柄或更*的空心杆刀柄，代替传统的ISO（SK）刀柄，以提高刀具轴向和径向定位精度、轴向刚度，并具有过载保护作用，如图4所示：
- 采取其它有利于提高刀具与夹紧装置的强度、刚度和稳定性的结构设计措施，例如用力锁紧机构来增强或代替形状锁紧机构：
- 安装防护罩和防弹玻璃，保护机床操作人员不受刀具与夹紧装置破裂碎片的伤害。
2 刀具材料
3 缓解刀具寿命下降的工艺措施
- 根据工件材料选用合适的刀具材料。针对不同工件材料进行的切削试验结果表明，选用不同刀具材料后其使用寿命差别很大，甚至超过一个数量级。本文上节一般介绍了HSC加工常用的刀具材料及其应用范围。问题是工件材料和刀具材料的品种、牌号、生产厂家均浩繁庞杂，要从中筛选出*的具体组合，只能通过试验和长期积累使用经验。
- 根据工件材料优化刀具几何参数。通过试验切削发现，适当增大刀刃的后角、尽可能缩短刀具的悬伸长度以及HSC加工铸铁件时适当增大刃口圆弧半径，都可以提高刀具的相对寿命。
- 根据工件材料优化切削参数，包括切削速度vc，每齿进给量fz和径向切深。图5试验结果表明，随着工件-刀具材料组合的变化，以刀具相对寿命zui长为目标的vc、fz和刀具径向切深*数值也发生变化，并且它们之间存在一定的牵连关系。
图5 切削参数对刀具寿命的影响 - 优化切削几何关系，合理选取球头铣刀轴线相对于工件表面法线的倾角bf。图6球头铣刀轴线在进给平面中沿进给方向向前倾斜一定角度实行拽切（牵拉铣削）时，刀具的相对寿命zui高，而且可以大大降低已加工表面粗糙度。
图6 球头铣刀轴线倾斜方向 - 选取有利的走刀路线。例如图7中半圆柱曲面，可以采用几种不同的走刀路线加工出来。经过试切，选取拽切和顺铣结合的走刀路线时刀具相对寿命zui高，已加工表面粗糙度也较低，但空刀路程比拽、钻和顺、逆交替铣削的走刀路线长得多。
图7 铣削曲面走刀路线 - 采用zui小量冷却润滑。根据统计，切削加工中用于冷却润滑的开支甚至可能超过用于刀具的开支。出于节约和保护生态环境的考虑，欧美工业国家正在大力研究推广干切削加工技术，即zui小量（<100ml/h）冷却润滑。例如用TiAlN 涂层整体硬质合金钻头在X90CrMoV18高合金模具钢上以1123r/min 的高转速钻孔，采用zui小量冷却润滑后刀具寿命比*不用冷却润滑提高近7倍，进一步采取优化刀具基质材料的措施后刀具寿命提高15倍多，zui后加上优化刀具几何参数和在TiAlN硬涂层上覆盖MoS2软涂层两项措施，刀具寿命总共提高近32倍。
