高速铣削刀具的安全性技术www.tool-tool.com

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前言

高速铣削工艺在汽车、飞机和模具制造业中应用广泛。由于铣刀高速旋转时刀具各部分承受的离心力已远远超过切削力本身的作用而成为刀具的主要载荷，而离心力达到一定程度时会造成刀具变形甚至破裂，因此研究高速铣刀的安全性技术对发展高速铣削技术有着极其重要的意义。

高速铣刀安全性技术研究的现状

20世纪90年代初德国就开始了对高速铣刀的安全性技术研究，并制订了DIN6589-1《高速铣刀的安全要求》标准草案，规定了高速铣刀失效的试验方法 和标准，在技术上提出了高速铣刀设计、制造和使用的指导性意见，规定了统一的安全性检验方法。该标准草案已成为各国高速铣刀安全性的指导性文件。

2.1高速铣刀的安全失效形式与试验方法

标准草案规定了高速切削的速度界限，超过该速度后离心力将成为铣刀的主要载荷，必须采用安全技术。在刀具直径与高速切削范围关系图中，曲线以上区域为该标 准规定的铣刀必须经过安全检验的高速切削范围：对于直径d1≤32mm的单件刀具（整体或焊接刀具），其切削速度超过10000m/mm为高速切削范围； 对于直径d1>32mm的装配式机夹刀具，高速切削范围为线段BC以上区域。

高速铣刀的安全失效形式有两种：变形和破裂。不同类型铣刀的安全试验方法也不同。对于机夹可转位铣刀，有两种安全试验方法：一种方法是在1.6倍最大使用 转速下进行试验，刀具的永久性变形或零件的位移不超过0.05mm；另一种方法是在2倍于最大使用转速下试验，刀具不发生破裂（包括夹紧刀片的螺钉被剪 断、刀片或其他夹紧元件被甩飞、刀体的爆裂等）。而对于整体式铣刀，则必须在2倍于最大使用转速条件下试验而不发生弯曲或断裂。

2.2高速铣刀强度计算模型

高速刀具在离心力的作用下是否发生失效的关键在于刀体的强度是否足够、机夹刀的零件夹紧是否可靠。当把离心力作为主要载荷计算刀体强度时，由于刀具形状的复杂性，用经典力学理论计算得出的结果误差很大，常常不能满足安全性设计的要求。

为了在刀具设计阶段对其结构强度在离心力作用下的受力和变形进行定性和定量的分析，可通过有限元方法计算不同转速下的应力大小，模拟失效过程和改进设计方 案。高速铣刀有限元计算模型中包括刀体、刀体座、刀片和夹紧螺钉。首先计算刀体（包括螺钉、刀片等零件质量）的弹性变形，再对分离出的刀座作详细分析，把 所获得的刀体弹性变形作为边界条件加到刀座分离体；然后由切出的刀座、刀片、螺钉及无质量的摩擦副组成刀片夹紧系统的模型，进行夹紧的可靠性分析。有限元 模型能模拟刀片在刀座里的倾斜、滑动、转动以及螺钉在夹紧时的变形，可计算出在不同转速下刀片位移和螺钉受力的大小。

3提高高速铣刀安全性的措施

结合高速铣刀安全性标准，通过有限元计算模型的分析，为适应安全性要求，可采取以下措施：

（1）减轻刀具质量，减少刀具构件数，简化刀具结构

由试验求得的相同直径的不同刀具的破裂极限与刀体质量、刀具构件数和构件接触面数之间的关系，经比较发现，刀具质量越轻，构件数量和构件接触面越少，刀具 破裂的极限转速越高。研究发现，用钛合金作为刀体材料减轻了构件的质量，可提高刀具的破裂极限和极限转速。但由于钛合金对切口的敏感性，不适宜制造刀体， 因此有的高速铣刀已采用高强度铝合金来制造刀体。

在刀体结构上，应注意避免和减小应力集中，刀体上的槽（包括刀座槽、容屑槽、键槽）会引起应力集中，降低刀体的强度，因此应尽量避免通槽和槽底带尖角。同 时，刀体的结构应对称于回转轴，使重心通过铣刀的轴线。刀片和刀座的夹紧、调整结构应尽可能消除游隙，并且要求重复定位性好。目前，高速铣刀已广泛采用 HSK刀柄与机床主轴连接，较大程度地提高了刀具系统的刚度和重复定位精度，有利于刀具破裂极限转速的提高。此外，机夹式高速铣刀的直径显露出直径变小、 刀齿数减少的发展趋势，也有利于刀具强度和刚度的提高。

（2）改进刀具的夹紧方式

模拟计算和破裂试验研究表明，高速铣刀刀片的夹紧方法不允许采用通常的摩擦力夹紧，要用带中心孔的刀片、螺钉夹紧方式，或用特殊设计的刀具结构以防止刀片 甩飞。刀座、刀片的夹紧力方向最好与离心力方向一致，同时要控制好螺钉的预紧力，防止螺钉因过载而提前受损。对于小直径的带柄铣刀，可采用液压夹头或热胀 冷缩夹头实现夹紧的高精度和高刚度。

（3）提高刀具的动平衡性

提高刀具的动平衡性对提高高速铣刀的安全性有很大的帮助。因为刀具的不平衡量会对主轴系统产生一个附加的径向载荷，其大小与转速的平方成正比。

设旋转体质量为m，质心与旋转体中心的偏心量为e，则由不平衡量引起的惯性离心力F为：

F=emω2=U（n/9549）2

式中：U为刀具系统不平衡量（g·mm），e为刀具系统质心偏心量（mm），m为刀具系统质量（kg），n为刀具系统转速（r/min），ω为刀具系统角速度（rad/s）。

由上式可见，提高刀具的动平衡性可显著减小离心力，提高高速刀具的安全性。因此，按照标准草案要求，用于高速切削的铣刀必须经过动平衡测试，并应达到ISO1940－1规定的G4.0平衡质量等级以上要求。

4结语

高速铣刀安全性技术是研究高速刀具的一个重要内容，应加强刀具安全性的定量分析，精确确定影响高速铣刀安全性的微量因素，并从刀具的材料、结构、制造工艺等方面解决好高速铣刀的安全性。

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超细晶粒硬质合金刀具在加工耐热合金钢中的应用www.tool-tool.com

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超细晶粒硬质合金是一种高硬度、高强度和高耐磨性兼备的硬质合金，它的WC粒度一般为0.2～1.Oµ,m以下，大部分在0.5µ,m以下，是普通硬质合 金WC粒度的几分之一到几十分之一，具有硬质合金的高硬度和高速钢的强度。其硬度一般为90～93HRA，抗弯强度为2000～3500MPa，比含钴量 相同的一般WC-Co硬质合金要高，与加工材料的相互吸附-扩散作用较小，特别适用于耐热合金钢、高强度合金钢以及其它难加工材料。
下面以超细晶粒硬质合金YS2,YM051,YM052等刀具牌号为例，阐述在加工耐热合金钢生产中的一些应用。
YS2 硬质合金YS2硬质合金是株洲硬质合金厂生产的一种超细晶粒硬质合金，其性能相当于ISO标准中的K30，它的WC晶粒尺寸小于0.5µ,m，硬度为 91.5HRA，抗弯强度达2200MPa，在800℃时的高温硬度为930HV，比一般YG类硬质合金高出200～300HV。
在加工K3镍基铸造合金的外圆时，在相同切削用量v=5～6m/min,f=0.5mm/r,ap=0.1mm 的条件下，YG8的磨损为0.5mm左右，YS2为0.25mm;在后刀面磨损量同为0.3mm时，YS2的刀具耐用度为15min，而YG8或YG8W 的刀具耐用度还不到5min。
用YS2车刀加工耐热不锈钢Cr17Ni2时，当以n=700r/min、 f=0.04min/r,ap=0.5～0.6mm的切削用量镗f30+0.03mm孔时，在保证精度及表面粗糙度的条件下，刀具刃磨一次的加工件数为: YT15为4～5件，YT05为29～50件，而YS2则可加工90～140件。由此可见，超细晶粒硬质合金YS2的耐磨性或刀具耐用度要比普通硬质合金 高。
YM 系列硬质合金YM051、YM052、YM053是上海硬质合金厂生产的一种超细晶粒硬质合金，它的WC平均晶粒尺寸为0.4～0.5µm, 1µm以下的占95%以上，硬度大于92.5HRA，抗弯强度在1600MPa以上。YM051、YM052的通用性很强，既能加工钢材，又能加工铸铁， 对耐热合金钢如铁基、镍基高温合金、钛合金、耐热不锈钢等难加工材料的加工效果尤为显著，YM053则主要用于加工各种铸铁。
在车削GH132铁基耐热合金钢(f62～f400mm)端面时，在相同切削用量n1=45r/min，ap1=1.Omm,f=0.15mm/r的条件 下，刀具走一刀后的磨损量分别是YM051为0.1mm,YS2为0.21mm,YG8为0.35mm；当n2=60r/min,ap和f值不变时，则分 别为0.1mm，0.25mm，0.27mm。在车削其外圆时，用同一切削用量n=20r/min,ap=0.8, f=0.07mm/r，并在采用切削液的条件下，原来使用的高速钢车刀每刃磨一次只能加工一件，还保证不了锥度;用YG8车刀容易产生崩刀，每次刃磨也只 能加工一件;而采用YS2或YM052车刀，每次刃磨后可加工2～3件，并能较好地保证工件的锥度和表面粗糙度。
当粗车合金半钢轧辊(硬度为60～70HS，尺寸为f800×1800mm)时，在切削用量v=17m/min,ap=16mm(YT5)或20mm (YM052),f =0.625mm/r(YT5)或1.75mm/r(YM052)的条件下YT5刀具耐用度明显低，只能加工200～300mm，加工效率亦低； YM052能加工500～600mm，加工效率是YT5的2～3倍。
由上可知，超细晶粒硬质合金刀具，由于其晶粒极细，刀刃可以磨得锋利、光洁；同时由于它的强度和硬度都很高，故能长时间保持刀刃有极小的圆弧半径和粗糙 度。因此，在加工耐热合金钢时，使用YS2、YM051、YM052、YD05等超细晶粒硬质合金刀具比采用YT、YG、YW三类普通硬质合金刀具有较好 的耐热性和综合耐磨性能，不仅其刀具耐用度有明显提高，切削效率提高数倍，而且加工工件的表面粗糙度也显著降低。它与立方氮化硼CBN刀具相比，虽然耐磨 性稍低一些，但其价格却比CBN低得多，因此，可广泛推广应用。

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干式切削加工技术及其应用www.tool-tool.com

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制造业是产生工业污染的主要来源之一，其中传统加工所使用的切削液给环境造成了严重的污染。随着人们对环境保护的日益重视，尤其是环境保护法规的 严格实施，对制造业产生的环境污染提出了更高的要求。一种能减少对环境污染、节约资源和能源的绿色制造技术——干切削加工技术，越来越受到人们的重视。近 年来，许多发达国家在工厂条件允许的情况下正积极地采用干式切削加工技术，以达到减少切削加工的润滑污染、降低加工成本的目的。 1 干式切削加工相关技术 干 式切削加工技术是在无冷却或少许润滑油、剂的条件下，采用高切削速度进行切削加工的方法。在于式切削条件下，失去切削液、冷却、清洗、排屑的作用，切削条 件非常恶劣。在切削区域会产生大量的切削热将无法及时的散发，温度和切削力大幅度上升，摩擦力增大，刀具磨损加快，生产效率降低。因此要使干式切削加工工 艺得到很好地推广，充分发挥其优势，克服其缺点，就必须要很好地解决干式切削加工相关地技术难题。 刀具结构 干式切削刀具应满足以下要求： 刀具材料应有良好的耐热性和耐磨性； 切屑及刀具之间的摩擦系数要尽可能小； 刀具的结构要保证排屑流畅与散热； 刀具应有高的强度和抗冲击韧性。 图1 热管式车刀 图2 热管式铣刀 图3 ALPHA22钻尖结构 刀具结构为了保证干式切削对断屑、排屑及自冷却的要求，必须对刀具结构和几何参数进行优化。如： 在切削力较小的情况下，可采用大前角和大圆度切削角； 采用负前角或前后刀面凸起，以延缓月牙哇对刀刃的损伤； 增大负刃倾角，改善刀刃及刀头的切入状态，提高刀具的抗冲击和抗热震能力。 图1 为热管式车刀结构、图2为热管式铣刀结构。其结构特点是在车刀的刀体和铣刀的每个刀齿内部制成空心的热管，配以冷气系统，可把大量的切削热量带走。图3为 德国TITEX公司开发的干式深孔钻头“ALPHA22”钻尖结构。该钻头刀刃经过专门优化设计，以减少刀具与工件间的接触强度。 刀具材料 近几年，高硬度材料的出现，为干式切削提供了可能。目前应用于干式切削加工的刀具材料主要是：超细硬质合金、陶瓷刀具、金刚石与氮化硼等超硬度材料。 超 细 硬 质合金可以提高普通硬质合金的韧性，具有很好的耐磨性和耐高温性，可用于制作大前角的深孔钻头、刀片作铣削和钻削的干式加工。 立方氮化硼(CBN)材料的硬度高，达3，200～4，000HV，仅次于金刚石、热传导率好，达1，300W/MK、具有良好的高温化学稳定性，在1，200℃下热稳定很好。采CBN刀其用于加〔铸铁，可大大提高切削速度、用于加工粹火钢，可以以车削代替磨削。 聚晶金刚石(PCD)刀具硬度高，可达7，000～8，000HV，热导率可达2，100 W/MK，线膨胀系数小。PCD刀具切削时产生的热能很决从刀尖传递到刀体，从而减少刀具热变形引起的加工误差。PCD刀具适用于干式加工铜、铝及铝合金工件。 涂 层硬质合金刀具很适合干式切削加工。涂层的作用主要是在刀具与切削材料之间形成隔热层，抑制切削的热冲击，减少摩擦系数，减少刀具的磨损。刀具涂层厚度为 1～5µm。涂层的材料有TiC， TiAlN， TiCN等，其中TiAlN具有较好的耐热性能和高温性能，其高温连续切削性能是TiC涂层的4倍，高温硬度高于TiN。表1是SECO公司用涂层刀具进 行干式铣削的情况。 低温冷风切削 低温冷风切削的概念是由日本人 横川和尹首先提出来的是一种在-10～-100℃冷风冷却和非常微量的植物油润滑条件下进行干式切削的技术。有关研究表明，在刀具表面涂一层薄薄的植物 油，在切削加上点进行低温冷风冷却，其干式加工的效果很理想。如，在切削条件为：工件直径：Ø92～Ø98mm；切削速度45.1～48.Om/min； 进给 O.5mm；切削余角：45°；刀具：刀具半径RO.4mm， SKH高速钢不重磨刀片的试验结果：以刀具后刀面磨损宽度达0.2mm为评价严重磨损的指标的话，完全干式切削时刀具切削长度为1000mm、只供给 Acc-Lube精密润滑油的刀具切削长度为1500mm、只用-12℃的冷风，切削长度为2000mm、在供给-12℃冷风的同时，在切削部位注入 1ml/h的Acc-Lube精密润滑油，切削长度为4000mm。 表1 涂层硬质合金刀片的应用 刀具种类 涂层材料 适用的加工材料 T150M Ti(C、N)+Al203 灰口铸铁、球墨铸铁 T250M TiC，Ti(C、N)+TiN 碳钢、不锈钢 F20M Ti(C、N)+(Ti、Al)N+TiN 不锈钢 F40M Ti(C、N)+(Ti、Al)N+TiN 不锈钢 气雾润滑切削 气 雾润滑是采用一定的喷射冷却装置，将冷却液雾化为毫米级的气雾，不断喷射到刀具表面进行润滑的切削加工。其工作原理是把冷却液通过喷射装置与空气充分混 合，并且，在高压下通过多孔喷射出内喷嘴形成冷却循环、外喷嘴形成气柱，对刀具进行冷却与润滑。该方法能节约大量的冷却液，其冷却液用量在50ml/h以 下。在钢加工和孔深为5倍以上的孔加工中采用此办法效果很好。 2 干式切削加工的应用 在 一般的切削加工中，由于切削力和金属变形将在切削区产生很高的切削热，必须用冷却润滑剂对刀其进行冷却。但是，如果采用上述技术措施，如，改进刀具材料与 结构、改变冷却形式、及时排除切屑等，完全能实现干式切削加工。如美国Makino公司的“红月牙”干式加工技术，该技术采用高切削速度和大进给加工铸 铁，使热量很快聚集在切削刀具前端，刀具前端形成红热状态，工件加工区域形成370℃左右的高温，此时，工件的屈服强度减小，从而使切削效率大大的增大在 通常情况下，加工铸铁的切削速度为914～1219m/min、切除率16cm3/min而采用“红月牙”干式切削工艺切削速度将能达到1828～3048m/min，切除率达49cm3/min。与此同时由于工件的屈服强度、切削阻力减小提高了主轴入口的夹紧力，简化了复杂工件的加工过程。如，LeBlong公司在一台加工中心上仅用三种夹具就完成了V8缸体的全部加工，取代了26工位的传输线。 3 结束语 干 式加工与湿式加工相比，不但提高了生产效率，降低了生产成本，而且有利于环保，是一种理想的，清洁的金属切削加工方法。我国的干式切削加工技术同国外相比 还有较大的差距，随着干式切削加上技术在我国金属切削加工中的推广，尤其是在车削铣削中的广泛应用，必将提高我们的切削加工效率，降低生产成本、提高零件 的切削加工质量。

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