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高速铣削刀具安全技术现状

来源：信息中心　时间：2009-2-1 11:02:28

提高切削速度是金属切削技术长期追求的目标，也是切削加工提高效率、降低成本的主要措施。机械加工的历史证明，切削速度的提高为机械制造业带来了巨大的技术经济效益，切削速度的提高还反映着机械制造整体技术水平的进步。从八十年代中期开始，制造技术进入了一个全面发展的新时期，其特点是以提高切削速度和进给速度为目标，主要内容包括高速主轴单元、快速进给和高加(减)速度的驱动系统、高性能的快速CNC控制系统、高刚性的机床结构、超硬刀具材料和涂层工艺技术等。制造技术的全面进展正在把切削技术推向高速切削(HSC)的新阶段。与五六十年代推广硬质合金刀具时的所谓高速切削相比，这一轮的高速切削不仅切削速度有成倍的提高，而且可配合采用高的进给速度和小的切削深度，在实现高生产率的同时使切削力减小，从而还提高了加工质量。目前，高速切削已经在航空工业、模具工业和轿车工业受到重视，正在向更广的应用领域拓展。

高速切削的核心是高的切削速度，由于刀具材料、工件材料和加工工艺的多样性，对高速切削不可能用一个确定的速度指标来定义。对于铣刀等回转刀具，通常以刀具或主轴的转速作为衡量标准，根据不同的刀具直径，现阶段一般把转速10000～20000r/min以上视为高速切削。因为在这个转速范围以上，对刀具材料、结构、装夹以及机床的主轴、结构、进给驱动和CNC系统都提出了特殊的要求，需要开发新的技术，其中铣刀结构的安全性就是发展高速切削所必须解决的一个技术问题。

铣削是目前高速切削应用的主要工艺，铣刀是主要的高速切削刀具，包括面铣刀、立铣刀和模具铣刀。这类刀具在高速旋转时各部分都要承受很大的离心力，其作用远远超过切削力的作用，成为刀具的主要载荷，离心力过大足以导致刀体破碎。对于直径d₁≤32mm的单件刀具(整体刀具或焊接刀具)，高速切削范围为切削速度≥1000m/min，即线段AB以上的区域；对于直径d₁＞32mm的装配式机夹刀具，高速切削范围为线段BC以上的区域。标准规定的安全性检测包括形式检验和样品刀具的离心力试验。形式检验的内容包括对设计对于机夹式刀具，在1.6倍于较大使用转速(n_p＝1.6n_max)下试验，刀具的永久变形或零件的位移不超过0.05mm，或者在2倍于较大使用转速(n_p=2n_max)下试验，刀具不发生爆碎；对于整体式刀具则必须在n_p=2n_max条件下试验而不发生弯曲或断裂。标准要求制造商应把刀具的较大使用转速(n_max)和有关特征参数、商标清晰地、永久性地标示在刀具上，并随刀具向用户提供必要的证明文件和安全使用说明。标准还提供了高速铣刀设计的指导意见。在标准规定的安全性技术的指导和监督下，目前德国生产的高速铣刀已经达到很高的安全性。刀具长度250mm，刀具直径200mm，刀具重量10kg，并制定了标准的试验程序。这个标准草案后来作为德国DIN标准建议提交给欧洲标准化委员会，并于1995年被采纳，同期也作为ISO的国际标准建议征询会员国的意见，表明高速铣刀的安全性在国际上取得了广泛的共识。

刀体材料

为了减轻和承受离心力的作用，要求刀体材料的比重要小，强度要高，现在有的高速铣刀已采用高强度铝合金制造刀体。标准建议，刀体材料的选择应取决于材料拉伸强度与密度的比值和应用的转速范围。液压夹头和热冷胀缩夹头。两者比较，后者的夹持精度更高，传递的扭矩比前者大1.5～2倍，径向刚性高2～3倍，能承受更大的离心力，更适合于整体硬质合金铣刀高速铣削淬硬的模具。日本和德国都开发了相应的加热装置用于刀具的装卸。这种夹头的缺点是适用的直径范围小，刀具装卸费时。
刀具的动平衡

在高速旋转时，刀具的不平衡会对主轴系统产生一个附加的径向载荷，其大小与转速成平方关系，从而对刀具的安全性和加工质量带来不利的影响。因此《高速旋转铣刀的安全性要求》标准规定，用于高速切削的铣刀必须经过动平衡测试，并应达到ISO1940/1规定的G40平衡质量等级，即铣刀的单位重量允许不平衡量e不超过3.8197×10⁵/n_max(mm×g/kg)，式中n_max为较大使用转速。为此，在机夹铣刀的结构上要设置调节动平衡的位置。实际上，目前某些精加工高速铣刀(或镗刀)不平衡质量已达到G2.5级(e＝0.23873×10⁵/n_max)，平衡性比G40级好得多，而美国平衡技术公司推出的刀具动平衡机甚至可平衡到G1.0级。铣刀在机床主轴上的重复安装精度也会影响铣刀旋转时的不平衡效果，使用HSK刀柄可以保证很高的重复安装精度。显然，在对铣刀进行动平衡时，把e值(此时用μm作单位)调节到小于刀具的重复安装精度(μm)是徒劳的。

目前，安全性技术已被世界上著名的工具制造厂家所采用，除德国的Walter、Mapal等公司推出的高速铣刀外，日本东芝Tungaloy公司的DIA9000加工铝合金用铣刀、住友电工公司的专用SUMIDIA金刚石铣刀等在结构上都作了改进，以适应高速加工的需要，推荐的切削速度为3000～5000m/min。美国Valenite公司推出直径从3英寸至12英寸的高速铣刀，其铝合金刀体经表面处理后硬度达60HRC，提高了刀体的耐磨性。

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