高速切削技术及其刀柄结构

    摘要：高速切削技术是近十多年来发展最为迅速的先进制造技术之一。文章在论述高速切削技术发展历程和特点的基础上，着重研究了高速切削技术中的刀柄结构，包括HSK、KM及CAPTO，并比较了常用的BT刀柄与HKS、KM刀柄的拉紧特性。对高速旋转所带来的特殊的动平衡问题及其执行标准也作了叙述。

    1、概述

    高速切削是一个相对概念，并且随着时代的进步而不断变化。一般认为高速切削或超高速切削的速度为普通切削加工的5～10倍。可以从不同的角度对切削速度进行划分，如从加工工艺的角度看，高速切削加工范围为：车削700~7000m/min；铣削300~6000m/min；钻削200~1100m/min；磨削150~360m/min。也可以根据被加工材料来确定高速切削的范围，如加工钢材达到380m/min以上、铸铁700m/min以上、铜材1000m/min以上、铝材1100m/min以上。也可以根据主轴转速、功率、锥孔大小、和平衡标准来划分，如按主轴的Dn值划分，高速主轴的Dn值一般为500000~2000000；对于加工中心，可按主轴锥孔的大小来划分：50号锥——10000~20000r/min；40号锥——20000~40000r/min；30号锥——25000~40000r/min；HSK锥——20000~40000r/min；KM锥——35000r/min以上。而根据ISO—1940，高速主轴的转速至少要超过8000r/min。1978年CIRP切削委员会将高速切削定为500～7500 m/min[1][2][3]。

    研究表明：随着切削速度的提高，切削力会降低15～30％以上，切削热量大多被切屑带走，加工表面质量可提高1～2级，生产效率的提高，可降低制造成本20％～40％。所以高速切削意义不仅仅是得到较高的表面切削质量[2]。

    国外对高速切削技术的研究比较早，可以追溯到20世纪60年代。目前已应用于航空、航天、汽车、模具等多种工业中的钢、铸铁及其合金、铝、镁合金、超级合金（镍基、铬基、铁基和钛基合金）及碳素纤维增强塑料等复合材料的加工，其中以加工铸铁和铝合金最为普遍。加工钢和铸铁及其合金可达到500～1500 m/min，加工铝及其合金可达到3000～4000 m/min[3]。

    国家自然科学基金项目(50575150)、北京市教委项目（05001011200401）
 
    我国在高速切削领域方面的研究起步较晚，20世纪80年代才开始研究高速硬切削。刀具以高速钢、硬质合金为主，切削速度大多在100～200 m/min，高速钢在40 m/min以内。切削水平和加工效率都比较低。近年来，虽然对高速切削技术已有比较深的认识，进口的部分数控机床和加工中心中也能达到高速切削加工的要求，但由于刀具等原因，高速切削技术应用也较少。目前主要在模具、汽车、航空、航天工业应用高速切削技术稍多，一般采用进口刀具，以加工铸铁和铝合金为主[3]。

    高速切削技术主要分为两方面，一方面是高速切削刀具技术，包括刀具材料、刀柄和刀夹系统、刀具动平衡技术、高速切削数据库技术、检测与监控系统等；另一方面是高速数控机床技术，包括机床整机结构的静动热态特性、电主轴、直线电机进给系统、数控与伺服系统的高速及高加速度性能、轴承润滑系统、刀具冷却系统等。本文重点谈谈高速切削技术中的刀柄结构。 

    2、典型的刀柄结构及其特性

    一般切削最常用的是BT刀柄，而高速切削用得比较多的是HSK刀柄。
BT刀柄的锥度为7：24，转速在10,000r/min左右时，刀柄－主轴系统还不会出现明显的变形，但当主轴从10,000 r/min升高到40,000 r/min时，由于离心力的作用，主轴系统的端部将出现较大变形，其径跳由0.2 m左右增加到2.8 m左右。刀柄与主轴锥孔间将出现明显的间隙（见图1），严重影响刀具的切削特性，因此BT刀柄一般不能用于高速切削[3]。

图1  高速下离心力造成BT刀柄－主轴系统变形

图2  HSK的双重定位结构

    HSK刀柄锥的结构形式与常用的BT刀柄不同，它是一种新型的高速锥型刀柄，采用锥面与端面双重定位的方式（见图2），在足够大的拉紧力作用下，HSK 1：10空心工具锥柄和主轴1：10锥孔之间在整个锥面和支承平面上产生摩擦，提供封闭结构的径向定位。平面夹紧定位防止刀柄的轴向窜动。HSK短锥柄部长度短（约为标准BT锥柄长度的1/2）、重量轻，因此换刀时间短。在整个速度范围内，HSK锥柄比BT（7：24）具有更大的动、静径向刚度和良好的切削性能。分为A、B、C、D、E、F型（见图3）。国内采用DIN6989b－1中的A型和C型标准，如HSK50A、HSK63A、HSK100A等。HSK50和HSK63刀柄的主轴转速可达25,000 r/min，HSK100刀柄可达12,000r/min，精密平衡后的HSK刀柄可达40,000r/min。随着转速增加，径向刚度将有所降低，见图4。

图3  HSK结构形式

图4  HSK与BT锥柄主轴转速与径向刚度关系比较

    KM刀柄是1987年美国Kennametal公司与德国Widia公司联合研制的1:10短锥空心刀柄（见图5），其长度仅为标准7:24锥柄长度的1/3。由于配合锥度比较短，且刀柄设计成中空结构，在拉杆轴向拉力的作用下，短锥可径向收缩，所以有效地解决了端面与锥面同时定位而产生的干涉问题。

图5  KM刀柄的结构

    研究表明：与BT刀柄相比，HSK刀柄与KM刀柄具有更加优越的静刚度和动刚度，其中由于KM刀柄的拉紧力与锁紧力明显大于HSK刀柄，所以KM刀柄的性能最优。它们的结构及性能比较见表1。 

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>刀柄型号

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>BT40

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>HSK-63B

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>KM6350

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>刀柄结构及主要尺寸

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normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center> 

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center> 

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>锁紧机构

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normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center> 

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>柄部结构特征

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>7:24实心

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>1:10空心

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>1:10空心

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>结合及定位部位

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>锥面

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>锥面+端面

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>锥面+端面

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>传力结构

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>弹性套筒

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>弹性套筒

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>钢球

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>拉紧力/kN

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>12.1

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>3.5

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>11.2

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>锁紧力/kN

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>12.1

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>10.5

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>33.5

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>过盈量/μm

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>—

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>3~10

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 6pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>10-25

    3、其他高速刀柄结构

    高速切削在实际生产中使用得越来越多，但其高速刀柄的结构并不象BT刀柄那样通用，许多方面还没有形成标准，所以高速刀柄的形式多种多样，如Sandvik公司生产的CAPTO刀柄就很特殊，其刀柄为三棱体锥，而不是常见的圆锥型，锥度为1:20，见图6。由于三棱锥的表面比较大，所以刀具的表面压力低、不易变形、精度保持性比较好。另外由于该结构不需要传动键就可以实现正反两个方向的转矩传递，所以消除了由于键和键槽引起的动平衡问题。见图7、图8。当然也带来了成本高，与其他现有刀柄不兼容等缺点。

图6  Sandvik公司的CAPTO刀柄

图7  CAPTO刀柄承受弯矩的情形   

图8  CAPTO刀柄承受扭矩的情形

    4、高速刀柄的平衡技术

    由于刀体里存在缺陷，或刀具设计不对称，或刀具进行过新的调节，都有可能引起刀具系统的不平衡。高速旋转的刀柄如果不平衡量太大不仅会引起主轴及其部件的额外振动，还会引起刀具的不规则磨损，缩短刀具寿命，降低零件的加工质量。一般在6000 r/min 以上就必须平衡，以保证安全。
旋转部件的不平衡量ψ是指质量重心偏离旋转轴心的量，即：

    ψ=em                                   （1）

    式中  e——偏心量（mm）；

    m——旋转部件的质量（g）。

  根据牛顿第二定律，由于不平衡量的存在，在旋转过程中将产生与速度平方成正比的离心力F。对于旋转体的平衡，国际上采用的标准是ISO1940-1或美国标准ANSIS2.19，用G参数对刚性旋转体进行分级，G的数字量分级从G0.4到G4000。G后面的数字越小，平衡等级越高。在该标准中，允许的不平衡量U（gmm）为：

       （2）

    式中  G——G等级量，每单位旋转体质量所允许的残余不平衡量（gmm/kg）；

    m——旋转部件的质量（kg）；

    n——主轴转速（rpm）；

    9545——常数。

    对不同机床的动平衡要求：普通机床的旋转件G6.3；普通刀柄和机床传动件G2.5；磨床及精密机械旋转件G1.0；精密磨床主轴及部分高速电主轴G0.4；6000rpm以上的高速切削刀具和刀柄系统必须使动平衡≤G2.5。
高速切削刀具系统的动平衡措施有：装平衡环、内装动平衡机构的刀柄（通过调整补偿环移动内部配重的位置以补偿不平衡量）、增加材料或去除材料。

    在使用过程中，一定要注意并不是平衡等级越高越好，还要考虑到经济性成本问题，更好的平衡是与加工精度相当。一般认为只要整个不平衡力小于切削力，则进一步的平衡不大可能改善切削质量。

    Sandvik公司是国际刀具制造业大亨，他们对刀具平衡问题也做了相当深入的研究，并指出现在在机床上执行的ISO1940-1标准具有不合理性，一是该标准原先是针对电厂涡轮机的刚性转子而制定的，并不是针对机床主轴和刀具系统制定的；二是该标准对机床来说过于严格，执行起来并不经济。

    5、结束语

    目前市场上性能优越且应用量比较大的高速刀柄主要是HSK和KM。但KM刀柄的应用主要在美国市场，就德国的HSK刀柄而言，不仅生产量大，应用普遍，而且得到了国际上的广泛认可，世界各国大部分机床公司在生产高速机床时都将HSK作为首选刀柄，国内在开发、生产和应用高速刀柄的过程中也基本与此趋势相一致。就目前高速刀柄技术的发展趋势来看，可以预见今后在刀柄带平衡装置和减振装置、多功能智能型刀柄、整个刀具系统的全自动平衡系统等方面将有较大的发展空间；而在应用方面将着重解决刀具结构与形式的统一、采用双面定位系统、提高各元件的制造精度、提高总体的平衡精度等问题。高速切削技术的发展及其应用将为我国制造技术水平的提高发挥更大作用。