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关于高速切削的几点认识

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。
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.
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。

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为普遍。加工钢和铸铁及其合金可达到500～1500 m/min，加工铝及其合金可达到3000～4000 m/min。
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100～200 m/min，高速钢在40 m/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。

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。

典型的刀柄结构及其特性

HSK高速刀柄

在高速切削加工已成为机械加工制造技术重要的环节。传统的BT刀具系统的加工性能已难以满足高速切削的要求。目前高速切削应用较广泛的有德国的HSK （德文Hohl Shaft Kegel缩写）刀具系统、美国的KM 刀具系统、日本的NC5、BIG-PLUS刀具系统等以上皆属于两面拘束刀柄。

刀具系统能在高速下进行切削加工，应满足以下基本条件：

1. 较高的系统精度

系统精度包括系统定位夹持精度和刀具重复定位精度，前者指刀具与刀柄、刀柄与机床主轴的连接精度；后者指每次换刀后刀具系统精度的一致性。刀具系统具有较高的系统精度，才能保证高速加工条件下刀具系统应有的静态和动态稳定性。

2. 较高的系统刚度

刀具系统的静、动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚度不足会导致刀具系统振动，从而降低加工精度，并加剧刀具的磨损，降低刀具的使用寿命。

3. 较好的动平衡性

高速切削加工条件下，微小质量的不平衡都会造成巨大的离心力，在加工过程中引起机床的急剧振动。因此，高速刀具系统的动平衡非常重要。
HSK刀柄是一种新型的高速锥型刀柄，其接口采用锥面和端面两面同时定位的方式，刀柄为中空，锥体长度较短，有利于实现换刀轻型化及高速化。加工中心由于采用端面定位，*消除了轴向定位误差，使高速、高精度加工成为可能。

(1)HSK刀柄的工作原理和性能特点
这种结构的优点主要有：
1)采用锥面、端面过定位的结合形式，能有效地提高结合刚度。
2)因锥部长度短和采用空心结构后质量较轻，故自动换刀动作快，车床可以缩短移动时间，加快刀具移动速度，有利于实现ATC的高速化。
3)采用1：10的锥度，与7：24锥度相比锥部较短，楔形效果较好，加工中心故有较强的抗扭能力，且能抑制因振动产生的微量位移。
4)有比较高的重复安装精度。
5)刀柄与主轴间由扩张爪锁紧，转速越高，扩张爪的离心力(扩张力)越大，锁紧力越大，故这种刀柄具有良好的高速性能，即在高速转动产生的离心力作用下，车床刀柄能牢固锁紧。

(2)这种结构也有弊端：
1)它与现在的主轴端面结构和刀柄不兼容。
2)由于过定位安装，必须严格控制锥面基准线与法兰端面的轴向位置精度，与之相应的主轴也必须控制这一轴向精度，使其制造工艺难度较大。
3)柄部为空心状态，装夹刀具的结构必须设置在外部，增加了整个刀具的悬伸长度，车床影响刀具的刚性。
4)从保养的角度来看，HSK刀柄锥度较小，加工中心锥柄近于直柄，加之锥面、法兰端面要求同时接触，使刀柄的修复重磨很困 难，经济性欠佳。
5)成本较高，刀柄的价格是普通标准7：24刀柄的1．5—2倍。
6)锥度配合过盈量较小(是KM结构的1／5—1／2)，数据分析表明，按DIN公差制造的HSK刀柄在8 000—20 000r?min运转时，由于主轴锥孔的离心扩张，会出现径向间隙。
7)极限转速比KM刀柄低，且由于HSK的法兰也是定位面，加工中心一旦污染，会影响定位精度，所以采用HSK刀柄必须有附加清洁措施。
(2)HSK刀柄的主要类型及其特点 按DIN的规定，HSK刀柄分为车床的六种型式。A、B型为自动换刀刀柄；加工中心C、D型为手动换刀刀柄；E、F型为无键联接、对称结构，适用于超高速的刀柄。

高速切削主要应用于回转刀具，要求机床主轴有较高的转速。当主轴转速超过10000r/min时，7∶24主轴锥孔的大端会扩大，使刀具发生轴向窜动，造成主轴抱死锥柄的后果，因此传统的7∶24锥柄连接已不能适应高速切削的要求。为此，德国早开发了适用于高速切削的HSK(空心短锥柄）连接技术，是德国阿亨(Aachen)工业大学机床研究所在20世纪90年代初开发的一种双面夹紧刀柄，它是双面夹紧刀柄中有代表性的。

HSK刀柄已于1996年列入德国DIN标准，并于2001年12月成为标准ISO12164，2004年我国根据ISO标准制订了HSK刀柄和主轴接口的标准（GB/T19449）。
与传统的7∶24锥柄连接相比，HSK连接可实现锥柄和法兰端面两面同时接触，由于其刚度和重复定位精度较标准7:24锥度柄提高了几倍至几十倍，因此在机械制造业得到了广泛的认同和采用。HSK刀柄被广泛用于铣削、钻削和车削加工中。
HSK刀柄与主轴连接结构与工作原理这种刀柄结构的主要优点是：有效地提高刀柄与机床主轴的结合刚度。由于采用锥面、端面过定位结合，使刀柄与主轴的有效接触面积增大，并从径向和轴向进行双面定位，大大提高了刀柄与主轴的结合刚度，克服了传统的标准7:24锥度柄在高速旋转时刚度不足的弱点。有较高的重复定位精度，并且自动换刀动作快，有利于实现ATC的高速化。由于采用1:10的锥度，其锥部长度短(大约是7:24锥柄相近规格的一半)。每次换刀后刀柄与主轴的接触面积一致性好，故提高了刀柄的重复定位精度。由于采用空心结构，质量轻，便于自动换刀。具有良好的高速锁紧性。

BT刀柄
一般切削常用的是BT刀柄，而高速切削用得比较多的是HSK刀柄。

BT刀柄的锥度为7：24，转速在10,000r/min左右时，刀柄－主轴系统还不会出现明显的变形，但当主轴从10,000 r/min升高到40,000 r/min时，由于离心力的作用，主轴系统的端部将出现较大变形，其径跳由0.2 m左右增加到2.8 m左右。刀柄与主轴锥孔间将出现明显的间隙，严重影响刀具的切削特性，高速下离心力造成BT刀柄－主轴系统变形，因此BT刀柄一般不能用于高速切削

 HSK刀柄锥的结构形式与常用的BT刀柄不同，它是一种新型的高速锥型刀柄，采用锥面与端面双重定位的方式，在足够大的拉紧力作用下，HSK 1：10空心工具锥柄和主轴1：10锥孔之间在整个锥面和支承平面上产生摩擦，提供封闭结构的径向定位。平面夹紧定位防止刀柄的轴向窜动。HSK短锥柄部长度短（约为标准BT锥柄长度的1/2）、重量轻，因此换刀时间短。在整个速度范围内，HSK锥柄比BT（7：24）具有更大的动、静径向刚度和良好的切削性能。国内采用DIN6989b－1中的A型和C型标准，如HSK50A、HSK63A、HSK100A等。HSK50和HSK63刀柄的主轴转速可达25,000 r/min，HSK100刀柄可达12,000r/min，精密平衡后的HSK刀柄可达40,000r/min。随着转速增加，径向刚度将有所降低.

KM刀柄的结构
KM刀柄是1987年美国Kennametal公司与德国Widia公司联合研制的1:10短锥空心刀柄，其长度仅为标准7:24锥柄长度的1/3。由于配合锥度比较短，且刀柄设计成中空结构，在拉杆轴向拉力的作用下，短锥可径向收缩，所以有效地解决了端面与锥面同时定位而产生的干涉问题。
研究表明：与BT刀柄相比，HSK刀柄与KM刀柄具有更加*的静刚度和动刚度，其中由于KM刀柄的拉紧力与锁紧力明显大于HSK刀柄，所以KM刀柄的性能。它们的结构及性能比较见表1。

刀柄型号               BT40               HSK-63B               KM6350
柄部结构特征      7:24实心            1:10空心              1:10空心
结合及定位部位      锥面              锥面+端面             锥面+端面
传力结构 弹性套筒 弹性套筒 钢球
拉紧力/kN              12.1                  3.5                    11.2
锁紧力/kN              12.1                  10.5                  33.5
过盈量/μm              ----                   3~10                 10-25