超高速切削的发展现状

金属切削加工已进入了一个以高速切削为代表的新的发展阶段，由于高速切削加工能极大地提高材料的切除率和零件的加工质量，降低加工成本，因而成为当今金属切削加工的发展方向之一。高速切削刀具技术是高速切削加工的一个关键技术，它包括高速切削刀具材料、刀柄系统、刀具系统动平衡技术、刀具监测技术等。本文就作一概述。

1. 高速切削加工对刀具系统的要求

所谓刀具系统是指由刀柄、夹头和切削刀具所组成的完整的刀具体系，刀柄与机床主轴相连，切削刀具通过夹头装入刀柄之中。要使刀具系统能在高速下进行切削加工，应满足以下基本条件：

较高的系统精度

系统精度包括系统定位夹持精度和刀具重复定位精度，前者指刀具与刀柄、刀柄与机床主轴的连接精度；后者指每次换刀后刀具系统精度的一致性。刀具系统具有较高的系统精度，才能保证高速加工条件下刀具系统应有的静态和动态稳定性。

较高的系统刚度

刀具系统的静、动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚度不足会导致刀具系统振动，从而降低加工精度，并加剧刀具的磨损，降低刀具的使用寿命。

较好的动平衡性

高速切削加工条件下，微小质量的不平衡都会造成巨大的离心力，在加工过程中引起机床的急剧振动。因此，高速刀具系统的动平衡非常重要。

2. 传统实心长刀柄结构存在的问题

目前，在数控铣床、数控镗床和加工中心上使用的传统刀柄是标准7:24锥度实心长刀柄。这种刀柄与机床主轴的连接只是靠锥面定位，主轴端面与刀柄法兰端面间有较大间隙。这种刀柄结构在高速切削条件下会出现下列问题：

刀具动、静刚度低

刀具高速旋转时，由于离心力的作用，主轴锥孔和刀柄均会发生径向膨胀，膨胀量大小随旋转半径和转速的增大而增大。这就会造成刀柄的膨胀量小于主轴锥孔的膨胀量而出现配合间隙，使得本来只靠锥面结合的低刚性连接的刚度进一步降低。

动平衡性差

标准7:24锥度柄较长，很难实现全长无间隙配合，一般只要求配合前段70%以上接触，而后段往往会有一定间隙。该间隙会引起刀具的径向圆跳动，影响刀具系统的动平衡。

重复定位精度低

当采用atc(automatic toolchanging，自动换刀)方式安装刀具时，由于锥度较长，难以保证每次换刀后刀柄与主轴锥孔结合的一致性。同时，长刀柄也限制了换刀过程的高速化。

3. 多种新型刀柄的开发与应用

为了适应高速切削加工对刀具系统的要求，最近10年各工业发达国家相继研制开发了多种新型结构的刀柄。简介如下。

1) hsk刀柄

hsk(德文hohlschaftkegel缩写)刀柄是德国阿亨(aachen)工业大学机床研究所在20世纪90年代初开发的一种双面夹紧刀柄，它是双面夹紧刀柄中最具有代表性的。hsk刀柄已于1996年列入德国din标准，并于2001年12月成为国际标准iso12164。由于其刚度和重复定位精度较标准7:24锥度柄提高了几倍至几十倍，因此在机械制造业得到了广泛的认同和采用。例如，在德国奔驰汽车公司和大众汽车公司，hsk刀柄被广泛用于铣削、钻削和车削加工中。在我国一汽大众公司的发动机、传动器生产线上共有二百五十多台数控机床采用了hsk高速短锥空心柄工具系统，共6个规格。

hsk刀柄由锥面(径向)和法兰端面(轴向)双面定位，实现与主轴的刚性连接，如图1所示。当刀柄在机床主轴上安装时，空心短锥柄与主轴锥孔能完全接触，起到定心作用。此时，hsk刀柄法兰盘与主轴端面之间还存在约0.1mm的间隙。在拉紧机构作用下，拉杆的向右移动使其前端的锥面将弹性夹爪径向胀开，同时夹爪的外锥面作用在空心短锥柄内孔的30°锥面上，空心短锥柄产生弹性变形，并使其端面与主轴端面靠紧，实现了刀柄与主轴锥面和主轴端面同时定位和夹紧的功能。

图1 hsk刀柄与主轴连接结构与工作原理

这种刀柄结构的主要优点是：

有效地提高刀柄与机床主轴的结合刚度。由于采用锥面、端面过定位结合，使刀柄与主轴的有效接触面积增大，并从径向和轴向进行双面定位，大大提高了刀柄与主轴的结合刚度，克服了传统的标准7:24锥度柄在高速旋转时刚度不足的弱点。

有较高的重复定位精度，并且自动换刀动作快，有利于实现atc的高速化。由于采用1:10的锥度，其锥部长度短(大约是7:24锥柄相近规格的一半)。每次换刀后刀柄与主轴的接触面积一致性好，故提高了刀柄的重复定位精度。由于采用空心结构，质量轻，便于自动换刀。

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