高速切削技術(shù)及其刀柄結(jié)構(gòu)摘要:高速切削技術(shù)是近十多年來(lái)發(fā)展最為迅速的先進(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刀柄與HKS、KM刀柄的拉緊特性。對(duì)高速旋轉(zhuǎn)所帶來(lái)的特殊的動(dòng)平衡問(wèn)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(chē)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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)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(chē)、模具等多種工業(yè)中的鋼、鑄鐵及其合金、鋁、鎂合金、超級(jí)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最為普遍。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(kāi)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?xún)?nèi)。切削水平和加工效率都比較低。近年來(lái),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(chē)、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(kù)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(xiàn)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
一般切削最常用的是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(見(jiàn)圖1),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[3]。
圖1 高速下離心力造成BT刀柄-主軸系統(tǒng)變形
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(見(jiàn)圖2),在足夠大的拉緊力作用下,HSK 1:10空心