關于高速切削的幾點認識

高速切削是一個相對概念，并且隨著時代的進步而不斷變化。一般認為高速切削或超高速切削的速度為普通切削加工的5～10倍。可以從不同的角度對切削速度進行劃分。
從加工工藝的角度看，高速切削加工范圍為：車削700~7000m/min；銑削300~6000m/min；鉆削200~1100m/min；磨削150~360m/min。
也可以根據被加工材料來確定高速切削的范圍，如加工鋼材達到380m/min以上、鑄鐵700m/min以上、銅材1000m/min以上、鋁材1100m/min以上。
也可以根據主軸轉速、功率、錐孔大小、和平衡標準來劃分，如按主軸的Dn值劃分，高速主軸的Dn值一般為500000~2000000；
對于加工中心，可按主軸錐孔的大小來劃分：50號錐-----10000~20000r/min；40號錐——20000~40000r/min；30號錐——25000~40000r/min；HSK錐——20000~40000r/min；KM錐——35000r/min以上.
研究表明：隨著切削速度的提高，切削力會降低15～30％以上，切削熱量大多被切屑帶走，加工表面質量可提高1～2級，生產效率的提高，可降低制造成本20％～40％。所以高速切削意義不是得到較高的表面切削質量。

國外對高速切削技術的研究比較早，可以追溯到20世紀60年代。目前已應用于航空、航天、汽車、模具等多種工業中的鋼、鑄鐵及其合金、鋁、鎂合金、超級合金（鎳基、鉻基、鐵基和鈦基合金）及碳素纖維增強塑料等復合材料的加工，其中以加工鑄鐵和鋁合金為普遍。加工鋼和鑄鐵及其合金可達到500～1500 m/min，加工鋁及其合金可達到3000～4000 m/min。
我國在高速切削領域方面的研究起步較晚，20世紀80年代才開始研究高速硬切削。刀具以高速鋼、硬質合金為主，切削速度大多在100～200 m/min，高速鋼在40 m/min以內。切削水平和加工效率都比較低。近年來，雖然對高速切削技術已有比較深的認識，進口的部分數控機床和加工中心中也能達到高速切削加工的要求，但由于刀具等原因，高速切削技術應用也較少。目前主要在模具、汽車、航空、航天工業應用高速切削技術稍多，一般采用進口刀具，以加工鑄鐵和鋁合金為主。

高速切削技術主要分為兩方面，一方面是高速切削刀具技術，包括刀具材料、刀柄和刀夾系統、刀具動平衡技術、高速切削數據庫技術、檢測與監控系統等；另一方面是高速數控機床技術，包括機床整機結構的靜動熱態特性、電主軸、直線電機進給系統、數控與伺服系統的高速及高加速度性能、軸承潤滑系統、刀具冷卻系統等。

典型的刀柄結構及其特性

HSK高速刀柄

在高速切削加工已成為機械加工制造技術重要的環節。傳統的BT刀具系統的加工性能已難以滿足高速切削的要求。目前高速切削應用較的有德國的HSK （德文Hohl Shaft Kegel縮寫）刀具系統、美國的KM 刀具系統、日本的NC5、BIG-PLUS刀具系統等以上皆屬于兩面拘束刀柄。

刀具系統能在高速下進行切削加工，應滿足以下基本條件：

1. 較高的系統精度

系統精度包括系統定位夾持精度和刀具重復定位精度，前者指刀具與刀柄、刀柄與機床主軸的連接精度；后者指每次換刀后刀具系統精度的一致性。刀具系統具有較高的系統精度，才能保證高速加工條件下刀具系統應有的靜態和動態穩定性。

2. 較高的系統剛度

刀具系統的靜、動剛度是影響加工精度及切削性能的重要因素。刀具系統剛度不足會導致刀具系統振動，從而降低加工精度，并加劇刀具的磨損，降低刀具的使用壽命。

3. 較好的動平衡性

高速切削加工條件下，微小質量的不平衡都會造成巨大的離心力，在加工過程中引起機床的急劇振動。因此，高速刀具系統的動平衡非常重要。
HSK刀柄是一種新型的高速錐型刀柄，其接口采用錐面和端面兩面同時定位的方式，刀柄為中空，錐體長度較短，有利于實現換刀輕型化及高速化。加工中心由于采用端面定位，*消除了軸向定位誤差，使高速、高精度加工成為可能。

(1)HSK刀柄的工作原理和性能特點
這種結構的優點主要有：
1)采用錐面、端面過定位的結合形式，能有效地提高結合剛度。
2)因錐部長度短和采用空心結構后質量較輕，故自動換刀動作快，車床可以縮短移動時間，加快刀具移動速度，有利于實現ATC的高速化。
3)采用1：10的錐度，與7：24錐度相比錐部較短，楔形效果較好，加工中心故有較強的抗扭能力，且能抑制因振動產生的微量位移。
4)有比較高的重復安裝精度。
5)刀柄與主軸間由擴張爪鎖緊，轉速越高，擴張爪的離心力(擴張力)越大，鎖緊力越大，故這種刀柄具有良好的高速性能，即在高速轉動產生的離心力作用下，車床刀柄能牢固鎖緊。

(2)這種結構也有弊端：
1)它與現在的主軸端面結構和刀柄不兼容。
2)由于過定位安裝，必須嚴格控制錐面基準線與法蘭端面的軸向位置精度，與之相應的主軸也必須控制這一軸向精度，使其制造工藝難度較大。
3)柄部為空心狀態，裝夾刀具的結構必須設置在外部，增加了整個刀具的懸伸長度，車床影響刀具的剛性。
4)從保養的角度來看，HSK刀柄錐度較小，加工中心錐柄近于直柄，加之錐面、法蘭端面要求同時接觸，使刀柄的修復重磨很困 難，經濟性欠佳。
5)成本較高，刀柄的價格是普通標準7：24刀柄的1．5—2倍。
6)錐度配合過盈量較小(是KM結構的1／5—1／2)，數據分析表明，按DIN公差制造的HSK刀柄在8 000—20 000r?min運轉時，由于主軸錐孔的離心擴張，會出現徑向間隙。
7)極限轉速比KM刀柄低，且由于HSK的法蘭也是定位面，加工中心一旦污染，會影響定位精度，所以采用HSK刀柄必須有附加清潔措施。
(2)HSK刀柄的主要類型及其特點 按DIN的規定，HSK刀柄分為車床的六種型式。A、B型為自動換刀刀柄；加工中心C、D型為手動換刀刀柄；E、F型為無鍵聯接、對稱結構，適用于超高速的刀柄。

高速切削主要應用于回轉刀具，要求機床主軸有較高的轉速。當主軸轉速超過10000r/min時，7∶24主軸錐孔的大端會擴大，使刀具發生軸向竄動，造成主軸抱死錐柄的后果，因此傳統的7∶24錐柄連接已不能適應高速切削的要求。為此，德國早開發了適用于高速切削的HSK(空心短錐柄）連接技術，是德國阿亨(Aachen)工業大學機床研究所在20世紀90年代初開發的一種雙面夾緊刀柄，它是雙面夾緊刀柄中有代表性的。

HSK刀柄已于1996年列入德國DIN標準，并于2001年12月成為標準ISO12164，2004年我國根據ISO標準制訂了HSK刀柄和主軸接口的國家標準（GB/T19449）。
與傳統的7∶24錐柄連接相比，HSK連接可實現錐柄和法蘭端面兩面同時接觸，由于其剛度和重復定位精度較標準7:24錐度柄提高了幾倍至幾十倍，因此在機械制造業得到了的認同和采用。HSK刀柄被用于銑削、鉆削和車削加工中。
HSK刀柄與主軸連接結構與工作原理這種刀柄結構的主要優點是：有效地提高刀柄與機床主軸的結合剛度。由于采用錐面、端面過定位結合，使刀柄與主軸的有效接觸面積增大，并從徑向和軸向進行雙面定位，大大提高了刀柄與主軸的結合剛度，克服了傳統的標準7:24錐度柄在高速旋轉時剛度不足的弱點。有較高的重復定位精度，并且自動換刀動作快，有利于實現ATC的高速化。由于采用1:10的錐度，其錐部長度短(大約是7:24錐柄相近規格的一半)。每次換刀后刀柄與主軸的接觸面積一致性好，故提高了刀柄的重復定位精度。由于采用空心結構，質量輕，便于自動換刀。具有良好的高速鎖緊性。

BT刀柄
一般切削常用的是BT刀柄，而高速切削用得比較多的是HSK刀柄。

BT刀柄的錐度為7：24，轉速在10,000r/min左右時，刀柄－主軸系統還不會出現明顯的變形，但當主軸從10,000 r/min升高到40,000 r/min時，由于離心力的作用，主軸系統的端部將出現較大變形，其徑跳由0.2 m左右增加到2.8 m左右。刀柄與主軸錐孔間將出現明顯的間隙，嚴重影響刀具的切削特性，高速下離心力造成BT刀柄－主軸系統變形，因此BT刀柄一般不能用于高速切削

 HSK刀柄錐的結構形式與常用的BT刀柄不同，它是一種新型的高速錐型刀柄，采用錐面與端面雙重定位的方式，在足夠大的拉緊力作用下，HSK 1：10空心工具錐柄和主軸1：10錐孔之間在整個錐面和支承平面上產生摩擦，提供封閉結構的徑向定位。平面夾緊定位防止刀柄的軸向竄動。HSK短錐柄部長度短（約為標準BT錐柄長度的1/2）、重量輕，因此換刀時間短。在整個速度范圍內，HSK錐柄比BT（7：24）具有更大的動、靜徑向剛度和良好的切削性能。國內采用DIN6989b－1中的A型和C型標準，如HSK50A、HSK63A、HSK100A等。HSK50和HSK63刀柄的主軸轉速可達25,000 r/min，HSK100刀柄可達12,000r/min，平衡后的HSK刀柄可達40,000r/min。隨著轉速增加，徑向剛度將有所降低.

KM刀柄的結構
KM刀柄是1987年美國Kennametal公司與德國Widia公司聯合研制的1:10短錐空心刀柄，其長度為標準7:24錐柄長度的1/3。由于配合錐度比較短，且刀柄設計成中空結構，在拉桿軸向拉力的作用下，短錐可徑向收縮，所以有效地解決了端面與錐面同時定位而產生的干涉問題。
研究表明：與BT刀柄相比，HSK刀柄與KM刀柄具有更加*的靜剛度和動剛度，其中由于KM刀柄的拉緊力與鎖緊力明顯大于HSK刀柄，所以KM刀柄的性能。它們的結構及性能比較見表1。

刀柄型號               BT40               HSK-63B               KM6350
柄部結構特征      7:24實心            1:10空心              1:10空心
結合及定位部位      錐面              錐面+端面             錐面+端面
傳力結構 彈性套筒 彈性套筒 鋼球
拉緊力/kN              12.1                  3.5                    11.2
鎖緊力/kN              12.1                  10.5                  33.5
過盈量/μm              ----                   3~10                 10-25