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。對高速旋轉(zhuǎn)所帶來的特殊的動平衡問題及其執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)也作了敘述。  

1、概述  

  高速切削是一個相對概念，并且隨著時代的進(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。可以從不同的角度對切削速度進(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；對于加工中心，可按主軸錐孔的大小來劃分：50號錐——10000~20000r/min；40號錐——20000~40000r/min；30號錐——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，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]。  

國外對高速切削技術(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、超級合金（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，雖然對高速切削技術(shù)已有比較深的認(rèn)識，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)、刀具動平衡技術(shù)、高速切削數(shù)據(jù)庫技術(shù)、檢測與監(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、軸承潤滑系統(tǒng)、刀具冷卻系統(tǒng)等。本文重點談?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，刀柄－主軸系統(tǒng)還不會出現(xiàn)明顯的變形，但當(dāng)主軸從10,000 r/min升高到40,000 r/min時，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（見圖2），在足夠大的拉緊力作用下，HSK 1：10空心