高速切削技术及其刀柄结构

摘要：高速切削技术是近十多年来发展最为迅速的先进制造技术之一。文章在论述高速切削技术发展历程和特点的基础上，着重研究了高速切削技术中的刀柄结构，包括HSK、KM及CAPTO，并比较了常用的BT刀柄与HKS、KM刀柄的拉紧特性。对高速旋转所带来的特殊的动平衡问题及其执行标准也作了叙述。

1、概述

    高速切削是一个相对概念，并且随着时代的进步而不断变化。一般认为高速切削或超高速切削的速度为普通切削加工的5～10倍。可以从不同的角度对切削速度进行划分，如从加工工艺的角度看，高速切削加工范围为：车削700~7000m/min；铣削300~6000m/min；钻削200~1100m/min；磨削150~360m/min。也可以根据被加工材料来确定高速切削的范围，如加工钢材达到380m/min以上、铸铁700m/min以上、铜材1000m/min以上、铝材1100m/min以上。也可以根据主轴转速、功率、锥孔大小、和平衡标准来划分，如按主轴的Dn值划分，高速主轴的Dn值一般为500000~2000000；对于加工中心，可按主轴锥孔的大小来划分：50号锥——10000~20000r/min；40号锥——20000~40000r/min；30号锥——25000~40000r/min；HSK锥——20000~40000r/min；KM锥——35000r/min以上。而根据ISO—1940，高速主轴的转速至少要超过8000r/min。1978年CIRP切削委员会将高速切削定为500～7500m/min[1][2][3]。

    研究表明：随着切削速度的提高，切削力会降低15～30％以上，切削热量大多被切屑带走，加工表面质量可提高1～2级，生产效率的提高，可降低制造成本20％～40％。所以高速切削意义不仅仅是得到较高的表面切削质量[2]。

    国外对高速切削技术的研究比较早，可以追溯到20世纪60年代。目前已应用于航空、航天、汽车、模具等多种工业中的钢、铸铁及其合金、铝、镁合金、超级合金（镍基、铬基、铁基和钛基合金）及碳素纤维增强塑料等复合材料的加工，其中以加工铸铁和铝合金最为普遍。加工钢和铸铁及其合金可达到500～1500m/min，加工铝及其合金可达到3000～4000m/min[3]。 

    我国在高速切削领域方面的研究起步较晚，20世纪80年代才开始研究高速硬切削。刀具以高速钢、硬质合金为主，切削速度大多在100～200m/min，高速钢在40m/min以内。切削水平和加工效率都比较低。近年来，虽然对高速切削技术已有比较深的认识，进口的部分数控机床和加工中心中也能达到高速切削加工的要求，但由于刀具等原因，高速切削技术应用也较少。目前主要在模具、汽车、航空、航天工业应用高速切削技术稍多，一般采用进口刀具，以加工铸铁和铝合金为主[3]。

    高速切削技术主要分为两方面，一方面是高速切削刀具技术，包括刀具材料、刀柄和刀夹系统、刀具动平衡技术、高速切削数据库技术、检测与监控系统等；另一方面是高速数控机床技术，包括机床整机结构的静动热态特性、电主轴、直线电机进给系统、数控与伺服系统的高速及高加速度性能、轴承润滑系统、刀具冷却系统等。本文重点谈谈高速切削技术中的刀柄结构。