1 刀具系统的机械故障与预防保护措施

图1 刀柄无法定位和传递动力

图2 刀体(刀盘)爆裂破损

图3 刀片紧固装置发生位移或破损

图4 SK系列刀柄与HSK系列刀柄结构形状



1. 如果主轴头部壁厚差别较大，当离心惯性力大幅度增大后，薄壁处刚度低径向扩张量显著增大，使刀柄径向晃动、无法定位，同时可能发生轴向错位移动而深入主轴，如图1所示。


2. 如果刀体(刀盘)结构有明显薄弱之处，在很大的离心惯性力作用下会发生爆裂，如图2所示。


3. 在离心惯性力作用下，刀片和紧固楔块可能发生径向位移而增大旋转半径，或者刀片紧固螺钉被剪断，如图3 所示。这是高速切削刀具容易发生的主要机械故障。

1. 在制造过程中，刀具与刀柄夹紧装置经过严格的静、动平衡，各自的不平衡质量大小必需降低到低于DIN/ISO 1940标准规定的数值：


2. 采用不平衡质量小、夹紧力大的液压弹力夹头刀柄、热压装配刀柄以及与刀具一体的刀柄：


3. 必要时采用全套在线、实时可调动平衡刀柄及附件装置，但其价格昂贵：


4. 刀具实际工作的转速，不超过刀具与刀柄夹紧装置制造厂家注明的允许最高转速，必要时可选用直径较小的刀具与刀柄夹紧装置来提高允许最高转速：


5. 采用新型的HSK 系列短锥空心刀柄或更先进的空心杆刀柄，代替传统的ISO(SK)刀柄，以提高刀具轴向和径向定位精度、轴向刚度，并具有过载保护作用，如图4所示：


6. 采取其它有利于提高刀具与夹紧装置的强度、刚度和稳定性的结构设计措施，例如用力锁紧机构来增强或代替形状锁紧机构：


7. 安装防护罩和防弹玻璃，保护机床操作人员不受刀具与夹紧装置破裂碎片的伤害。

2 刀具材料

3 缓解刀具寿命下降的工艺措施

1. 根据工件材料选用合适的刀具材料。针对不同工件材料进行的切削试验结果表明，选用不同刀具材料后其使用寿命差别很大，甚至超过一个数量级。本文上节一般介绍了HSC加工常用的刀具材料及其应用范围。问题是工件材料和刀具材料的品种、牌号、生产厂家均浩繁庞杂，要从中筛选出最优的具体组合，只能通过试验和长期积累使用经验。


2. 根据工件材料优化刀具几何参数。通过试验切削发现，适当增大刀刃的后角、尽可能缩短刀具的悬伸长度以及HSC加工铸铁件时适当增大刃口圆弧半径，都可以提高刀具的相对寿命。


3. 根据工件材料优化切削参数，包括切削速度v_c，每齿进给量f_z和径向切深。图5试验结果表明，随着工件-刀具材料组合的变化，以刀具相对寿命最长为目标的v_c、f_z和刀具径向切深最佳数值也发生变化，并且它们之间存在一定的牵连关系。
   
   
   
   
   
   
   
   
   

   图5 切削参数对刀具寿命的影响

   
   


4. 优化切削几何关系，合理选取球头铣刀轴线相对于工件表面法线的倾角b_f。图6球头铣刀轴线在进给平面中沿进给方向向前倾斜一定角度实行拽切(牵拉铣削)时，刀具的相对寿命最高，而且可以大大降低已加工表面粗糙度。
   
   
   
   
   
   
   
   
   

   图6 球头铣刀轴线倾斜方向

   
   


5. 选取有利的走刀路线。例如图7中半圆柱曲面，可以采用几种不同的走刀路线加工出来。经过试切，选取拽切和顺铣结合的走刀路线时刀具相对寿命最高，已加工表面粗糙度也较低，但空刀路程比拽、钻和顺、逆交替铣削的走刀路线长得多。
   
   
   
   
   
   
   
   
   

   图7 铣削曲面走刀路线

   
   


6. 采用最小量冷却润滑。根据统计，切削加工中用于冷却润滑的开支甚至可能超过用于刀具的开支。出于节约和保护生态环境的考虑，欧美工业国家正在大力研究推广干切削加工技术，即最小量(<100ml/h)冷却润滑。例如用TiAlN 涂层整体硬质合金钻头在X90CrMoV18高合金模具钢上以1123r/min 的高转速钻孔，采用最小量冷却润滑后刀具寿命比完全不用冷却润滑提高近7倍，进一步采取优化刀具基质材料的措施后刀具寿命提高15倍多，最后加上优化刀具几何参数和在TiAlN硬涂层上覆盖MoS₂软涂层两项措施，刀具寿命总共提高近32倍。

4 激光刀具检测系统

5 结束语