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1 引言

在机械制造技术的发展中,机床与工具总是相辅相成、相互促进的。高性能机床对刀具材料和刀具结构提出了更高要求,同时又为新型刀具材料和先进的刀具结构提供了“用武之地”及发展空间。近年来,国外制造业(尤其是大批量生产的轿车工业和批量生产的飞机工业)己开始大量采用高切削速度、高进给速度和高结构刚性的新型数控机床。在轿车工业中,出现了用高速单轴加工中心代替多轴组合机床的趋势,这样在大批量生产中既具有高度柔性,以适应产品快速更新换代的要求,同时又不会降低生产效率。在飞机工业中,由于多采用对铝合金板材“掏空”的方式加工零件,因此金属切除量很大(加工去除的金属重量占毛坯总重的95%~97%) ,因此要求更高的切削效率。
在20th JIMTOF 和IMTS2000展览会上,展出了转速高达20,000~60,000r/min、进给速度高达60m/min(甚至100m/min)的高速加工中心。为满足高速切削对刀具性能的要求,很多新型的刀具材料、涂层工艺及刀具结构已得到广泛应用。如在数控工具系统方面,开发了几种新型的工具柄(HSK空心短锥柄等)和新的刀具夹持方法。此外,对于高速切削刀具,除对切削性能和重复定位精度具有较高要求外,对刀具的动平衡精度和安全性也具有相应要求。

2 几种新型双面夹紧工具柄

随着现代切削技术的迅速发展,传统的7:24锥柄已不能适应转速在10,000r/min以上的高速、高精度加工的要求。为此,工业发达国家的工具厂家发展了几种新型的双面夹紧工具柄。现按不同国别作一介绍。
  1. 德国
    经过大量实验研究及生产验证,一种全新的HSK( Hohlschaftekegel)空心短锥柄于九十年代初在德国开发成功。这种工具柄部结构(如
    1. 金属陶瓷
      TiC基、TiN基和TiCN基三类金属陶瓷刀具可在300~500m/min切削速度范围内高速精车钢和铸铁。国内研制的TiCN基金属陶瓷刀片FD22适用于精加工淬硬钢,其耐磨性和允许切削速度均大大提高。
    2. 陶瓷
      陶瓷刀具主要包括氧化铝基和氮化硅基两大类,可在200~1,000m/min的切削速度范围内高速切削软钢、淬硬钢、铸铁及其合金等。陶瓷刀具的切削寿命可比普通硬质合金刀具提高2~10倍。氮化硅基陶瓷刀具耐热性极佳,其切削速度可比硬质合金刀具提高3~10倍,在加工灰铸铁时具有明显优势。复合氮化硅陶瓷刀片FD03的强度虽稍有降低,但耐磨性却显著增强,因此非常适合用于高速切削;据有关资料报导,陶瓷刀具在日本、德国等工业发达国家的汽车工业中应用十分广泛,已达刀具总消耗量的10%~15%以上,某些工厂甚至高达40%以上。据专家评估,我国陶瓷刀具的研发水平已达到国际先进水平,但应用水平相对滞后,与国外的差趾主要表现在制造工艺水平较低,高精度陶瓷刀片和某些品种陶瓷的质量较差。
    3. 立方氮化硼(CBN)
      立方氮化硼具有极高的硬度和红硬性,是高速精加工、半精加工淬硬钢、冷硬铸铁和高温合金的理想刀具材料。
    4. 聚晶金刚石(PCD)
      聚晶金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性、高导热性、低摩擦系数等优良特性,适用于高速、高精度加工有色金属及耐磨非金属材料(如铣削硅铝合金),切削速度范围可达300~3,500m/min。

    5 适用于高速切削的刀具涂层

    适用于高速切削刀具的涂层材料主要有:
    1. TiN涂层
    2. TiN涂层是目前应用最为广泛且工艺最为成熟的刀具涂层材料。在工业发达国家,TiN涂层在高速钢刀具上的使用率己达全部高速钢刀具的50%~70%,在复杂刀具上的使用率则已超过90%。但由于TiN涂层耐氧化性能较差,当使用温度超过500℃ 时,涂层表面将明显氧化而被烧损,加上TiN涂层硬度较低,已难以适应切削高速化对刀具涂层提出的更高要求。为此,国外投入了大量人力物力研究开发新型涂层材料和涂覆工艺,许多性能更为优良的新型涂层已投人生产应用。
    3. TiCN涂层
      TiCN涂层刀具的切削性能较TiN涂层刀具有很大提高。由于TiCN涂层具有更好的化学稳定性和抗氧化磨损性,因此在加工高合金钢、不锈钢、铁合金和镍合金时,刀具寿命可比TiN涂层刀具提高3~4倍。为提高刀片的耐磨性和抗崩刃性,日本住友公司在焊有CBN刀尖的可转位车刀片上涂覆了TiCN+TiN+陶瓷复合涂层,使这种刀片可切削60HRC以上的高硬度材料,且切削平稳,可获得光滑的加工表面。
    4. TiAlN涂层
      新开发的TiAlN涂层热稳定性优异,在相同切削温度下可保持比TiN涂层更高的硬度值,其维氏硬度高达3500HV,最高工作温度可达800℃ 。在切削加工时,涂层表面会生成一层极薄的硬质惰性保护膜——非晶态Al2O3。因此,TiAIN 涂层刀具对高速切削加工(尤其是高速车削、干式铣削、小直径孔的深孔钻削等高速干式切削)具有更好的适应性。
    5. 掺氧的氮碳化钦TiCNO涂层
      TiCNO涂层具有很高的显微硬度和化学稳定性,据资料介绍,这种涂层可起到相当于TiC+Al2O3复合涂层的作用。
    6. 金刚石涂层
      在工业发达国家,金刚石涂层技术工艺已日趋成熟,各种金刚石涂层的硬质合金刀具大量涌现,并进入实用化阶段。如日本OSG公司开发的超微细金刚石涂层的硬质合金立铣刀,在加工高硅铝合金时具有优异的切削性能、抗粘附性以及较高的加工精度、刀具寿命和涂层韧性,加工表面粗糙度可达Ry0.66µm,明显优于粗颗粒金刚石涂层的高速钢立铣刀的加工表面质量(Ry4~10µm) ,甚至优于未徐层硬质合金立铣刀的加工表面质量(Ry0.78µm)。

    6 高速切削刀具的动平衡

    刀具系统(刀柄—刀具—刀头)的不平衡量U可用动平衡机测得,它等于系统的不平衡质量m与其偏心距e的乘积,即
动平衡精度等级G为不平衡量U的重心偏距e与最高使用角速度w的乘积,即
U=me(1)
由不平衡量引起的离心力F与不平衡量和转速的平方成正比,即
G=ew=U/m×pn/30=pUn/30m(2)
因此,为了达到最佳加工效益,高速切削刀具在使用前必须根据其使用速度范围进行动平衡。高速切削旋转刀具系统的动平衡精度等级应视具体加工情况选定,一般可选择在G1~G6.3之间。若不经过全面技术升级,走“高起点、大投入、规模化”之路,我国工具行业就很难缩短与国外先进水平的差距。因此,尽管随着我国制造业的快速发展,新型工具产品的市场前景广阔(仅轿车生产一项,预计到2010年潜在的工具产品需求将达几十亿元人民币),但是由于近年来工具市场的需求结构已发生了重大变化,因此我国工具企业必须及时调整生产机制和产品结构,开发制造在性能、品种、价格等方面具有优势的工具产品,走“高起点、大投人、规模化”的发展道路,这样才能迅速改变目前的落后状态,振兴中国工具行业。

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