CFRP刀柄拓宽切削刀具使用范围
借助于CFRP刀柄的帮助，大型刀具的应用范围拓宽了。这表现在一种铰刀的开发上，这种铰刀由主轴侧的连接件、CFRP刀柄和镶刃刀柄组成。积木块系统保证了灵活性和可重新配置性。
斯图加特大学机床研究所（IFW）与蒂宾根的Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn公司合作，开发了轻质结构切削刀具，生产了原型刀具，并对其机械性能和热力性能进行了研究。这项开发工作是以DR刀具系统为起始点，该系统用于铰削加工标称直径在12～100mm之间的内孔。因为刀柄极其庞大，这些刀具的用途有限。新开发的刀轴将这些刀具的重量减少10~30kg。相关开发工作和生产步骤是以轻质结构概念为基础的，这种概念同时还定义了刀具的热力性能和动态性能。
铰削工艺描述的是切削生产工艺过程，这种工艺过程是刀具在工件上对内孔进行精加工。刀具生产厂家Paul Horn公司供应的传统铰刀DR铰削系统，该系统拥有4.3mm厚的铰刀切削刃。使用精细颗粒金属涂层或cermet单元，而不是常规铰刀，可以采用持续改进的机加工参数持续高效地精加工内孔。这些刀具的模块化结构，使得部件更换快速而可靠。由于刀具重量的原因，使用长度＞400mm和直径＞60mm的刀具变量，会受到一定的限制，受限程度取决于机床和工件特性。
虽然基于CFRP（碳纤维增强塑料）复合材料的轻质结构刀具已经存在，并经确认适合用作切削刀具的生产材料，但是，这些研发始终是针对特定应用的特殊解决方案。
更好的利用率提高现有机床的经济效益
图1所示的碳纤维增强型塑料复合材料（CFRP）刀柄，相比之下，可以实质性拓展现有机床的应用范围，获得更高的切削加工效率。该刀柄是轻质刀具中的关键部件，轻质刀具结构为用户开辟出新的加工解决方案。利用这些解决方案，可以迅速而简便地实现工艺的适应性改造。然而这样做的基础是积木块系统，有了这个系统，就具备了生产环境中所必要的灵活性和重新配置性。因为重量减轻了，只要加工空间足够大，这些刀具就可用于所有市场上可以购买到的生产中心上。利用率的改进，提高了经济回报率，相对降低了投资成本。
图1 配置CFRP刀柄的轻质结构刀具（从末端看），在
进行内孔精加工时，比纯钢刀具的应用范围更加广泛
在开发该刀具系统的工作中所涉及的第一步是测量机加工所产生的力和扭矩，并在模型上进行计算。刀具结构及所产生的径向力的对称分布，对刀具起着平衡作用。因此，可让刀具沿着现有内孔进行切削运动。如果刀具安装不同心，则会产生不对称分布的横向力，就像在先前的机加工中要对精度误差进行补偿那样。对称分布的向前进给力以及刀具中设计的最大刚度，给刀具提供了足够的稳定性。
图2表示在刀轴上产生的横向力和弯曲力的简化模型。除了机加工生成的向前进给力、偏转力和工艺力之外，设计还考虑了由于刀具自身重量和不平衡产生的横向力。使用以板梁理论为基础的分析模型和FEM模型，可以对纤维复合材料部件结构进行计算。一种简化几何模型可以对驱动环结构（driving collar structure）进行优化处理。使用FEM和拓扑优化软件，可以在具体点上提高质量与刚性之比。这些优化工作可以将刀具的总重量减少10.5～28.5kg。由于经济和生产方面的具体要求，选定的生产方法是纤维缠绕，因为这种工艺方法可以获得优质基本刀体，更为重要的是可以获得可靠的重复性基本刀身。
图2 除了切削产生的进给力、偏转力和工艺力之外，
刀柄设计还应考虑自身重量和不平衡产生的横向力nextpage
参照刀具和轻质结构刀具几乎具有同样刚度
图3所示的轻质结构刀具具有模块化设计结构，其组成包括主轴侧的刀具接口、混合轻质结构的刀轴以及镶刃刀柄等。部件更换可以利用接口根据生产厂家的标准进行操作。为精确调整刀具位置，镶刃刀柄接口有一个微调装置。利用这个微调装置，可以对与刀具轴心相对的刀具平面进行调整。根据加工任务，通过更换刀轴，可对刀具进行调整。同样，切削镶刃的选择也要与机加工任务匹配。
图3 由于模块化的刀具设计，提高了其应用灵活性和利用率
质量、刚度和阻尼等确定刀具的机械性能。热膨胀系数和纤维复合材料的比热容量影响刀具的热力特性。图4中显示了参照刀具和轻质刀具的刚度性能。力的范围在100～500N之间时，刀具特性几乎完全一样。
图4 力的范围在100～500N之间时，刀具特性几乎完全一样
刀具的动态特性影响机加工质量和刀片的使用寿命。这些基本上取决于刀体的几何形状、刚度和阻尼特性。由于重量很大的原因，在轻质结构刀具上使用高阻尼材料，如聚酯混凝土等是不可能的。但是，另外一方面，对层叠材料的制造进行优化，可以让纤维复合加工材料的刚度和阻尼特性发生适应性改变，让其与应用匹配。
这种尺寸的刀具的热性能具有很大意义。因为其微乎其微的质量及其材料的比热特性，轻质结构刀具比常规刀具达到指定温度的时间更迅速，本案例中，系指工厂车间的环境温度。为了进行这些测量，每种情况下的刀具都被降温至-20℃，并对暖机阶段进行评估。尽管纯钢参照刀具个别部件的传输温度是均匀的，但是，轻质结构刀具部件的温度特性则各不相同。与常规参考刀具部件温度相比，它们更加分散（图5）。实践中进行的首次试验确认了刀具的功能。因为轻质结构的原因，不仅刀具搬运更加简便，而且刀具特性更好，因此切削速度更高。
图5 在温度（位移）变化下，钢结构刀具做匀速运动时，
各个被加工零件精度的表现，这里有一些温度的区别。温
度不同时，带有CFRP刀柄的轻质结构刀具所加工的零件精
度有所改变，例如，实验中所用到的刀具长700mm（图5a中，
环境温度25℃）和790mm长的刀具（图5b，环境温度24℃）
轻质结构刀具的开发表明，在模块化基础上，通过使用轻质结构刀具，现有刀具系统的用途是可以扩展的。轻质结构刀具的机械性能和热力性能，可以与常规刀具相媲美，甚至超过常规刀具。项目的其他步骤包括研究环境条件对纤维复合材料部件的长期影响以及额外支撑架的使用等。冷却润滑剂和油以及切削工序过程中产生的切屑，是对工艺环境产生影响的因素。
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