高速切削的研究歷史动壤，可以追溯到二十世紀(jì)30年代由德國(guó)Carl Salomon博士首次提出的有關(guān)高速切削的概念。Salomon博士的研究突破了傳統(tǒng)切削理論對(duì)切削熱的認(rèn)識(shí)牢撼，認(rèn)為切削熱只是在傳統(tǒng)切削速度范圍內(nèi)是與切削速度成單調(diào)增函數(shù)關(guān)系。而當(dāng)切削速度突破一定限度以后疑苫，切削溫度不再隨切削速度的增加而增加熏版，反而會(huì)隨切削速度的增加而降低，即與切削速度在較高速度的范圍內(nèi)成單調(diào)減函數(shù)恒建。Salomon博士的研究因第二次世界大戰(zhàn)而中斷系亭。50年代后期開始，高速切削的試驗(yàn)又開始進(jìn)入各種試驗(yàn)研究差赂，高速切削的機(jī)理開始被科學(xué)家們所認(rèn)識(shí)晋合。1979年開始由德國(guó)政府研究技術(shù)部資助、德國(guó)Darmstadt大學(xué)PTW研究所牽頭拨俏、由大學(xué)研究機(jī)構(gòu)掐腕、機(jī)床制造商、刀具制造商智复、用戶等多方面共同組成的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)高速銑削展開了系統(tǒng)的研究捺再。除了高速切削機(jī)理外，研究團(tuán)隊(duì)同步研究解決高速銑削中機(jī)床光樱、刀具糜隶、工藝參數(shù)等多方面的應(yīng)用解決方案，使高速銑削在加工機(jī)理尚未得到完全共識(shí)的情況下首先在鋁合金加工和硬材料加工等領(lǐng)域得到應(yīng)用椿笤，解決模具盹屠、汽車、航空等領(lǐng)域的加工需求鞋诗，從而取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益膀捷。

　　從目前的試驗(yàn)看，隨著切削速度的逐步提高削彬，切削時(shí)的變形規(guī)律發(fā)生一些改變全庸。切屑中的剪切變形逐漸加劇，剪切區(qū)的滑移逐漸加強(qiáng)融痛，即使是塑性材料的切屑形態(tài)壶笼，也會(huì)組建逐漸從帶狀切屑轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X狀切屑，進(jìn)而有可能進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧獱钋行佳闼ⅰＯ聢D是鎳基高溫合金在不同的切削速度下切屑的形態(tài)覆劈。

　　由于在高速切削的條件下切屑會(huì)由帶狀切屑轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧行迹行寂c前刀面的摩擦將不再是切削力和切削熱的主要來源之一沛励；同樣由于切削速度的提高责语，后刀面處工件材料的彈性變形也將由于變形速度逐漸跟不上切削速度而減少，后刀面的摩擦也因此而減少目派，從而對(duì)降低切削力和切削熱產(chǎn)生有利的影響坤候。因此在高速切削時(shí)胁赢，主要的切削熱將由切屑導(dǎo)出，而工件和刀具的溫升都非常小投篇，高速切削也被成為“冷態(tài)切削”欠杀。

　　德國(guó)高速切削研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，高速切削的速度范圍應(yīng)該是傳統(tǒng)切削速度的5-10倍爸备。而實(shí)現(xiàn)高速切削可能涉及機(jī)床讯策、刀具、工件荤勤、工藝參數(shù)等諸多方面的問題职靴。本文將就高速切削的刀具及其它有關(guān)因素與刀具相關(guān)的若干方面介紹一些自己的看法。

　　一蒂轨、刀具與機(jī)床的接口

　　在傳統(tǒng)的鏜銑加工中欲广，我們通常使用的是各種7:24的刀具接口。這些接口的主軸端面與刀具存在間隙檩榕，在主軸高速旋轉(zhuǎn)和切削力的作用下繁触，主軸的大端孔徑膨脹，造成刀具軸向和徑向定位精度下降关揣。同時(shí)錐柄的軸向尺寸和重量都較大句惯，不利于快速換刀和機(jī)床的小型化。

　　而高速加工我們通常會(huì)推薦一種新的被稱為HSK的接口標(biāo)準(zhǔn)支救。HSK由德國(guó)阿亨大學(xué)機(jī)床研究所專門為高轉(zhuǎn)速機(jī)床開發(fā)的新型刀-機(jī)接口抢野，并形成了用于自動(dòng)換刀和手動(dòng)換刀、中心冷卻和端面冷卻各墨、普通型和緊湊型等6種形式指孤。HSK是一種小錐度(1:10)的空心短錐柄，使用時(shí)端面和錐面同時(shí)接觸贬堵，從而形成高的接觸剛性恃轩。經(jīng)分析研究，盡管HSK連接在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)主軸也同樣會(huì)擴(kuò)張黎做，但仍然能夠保持良好的接觸叉跛，轉(zhuǎn)速對(duì)接口的連接剛性影響不大。

　　二蒸殿、刀具的平衡

　　物理學(xué)的原理表明筷厘，旋轉(zhuǎn)中的質(zhì)點(diǎn)的離心力與質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量、質(zhì)點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)軸的距離以及旋轉(zhuǎn)的角速度(或者轉(zhuǎn)速)的二次方成正比宏所。也就是說土汽，如果轉(zhuǎn)速增加1倍，離心力將增大到原來的四倍。這就意味著在高的旋轉(zhuǎn)速度下级衅，刀具的加工精度和壽命都可能受到離心力的嚴(yán)重影響。

　　某精密鏜刀制造商提供了數(shù)據(jù)呕瞎，說明了這一問題笑诫。他們選擇兩把鏜刀進(jìn)行試驗(yàn)，其中只有一把精鏜刀預(yù)先進(jìn)行過動(dòng)平衡婉肆。這兩把鏜刀在5000r/min時(shí)所加工孔的的圓度沒有什么差別咽行，都是1.1μm，這些誤差我認(rèn)為主要由于機(jī)床工具系統(tǒng)的精度造成衰惜；而當(dāng)轉(zhuǎn)速提高1倍到10000r/min時(shí)差讼，情況就明顯不同了。經(jīng)過平衡的鏜刀所加工出的孔的圓度比5000r/min時(shí)略有增加挤夕，為1.25μm赫斥，而未經(jīng)平衡的鏜刀所加工出的孔的圓度比5000r/min時(shí)增加很多，達(dá)到6.30μm沪么，是經(jīng)過平衡調(diào)整的鏜刀的5倍多硼婿。

　　因此，對(duì)于在高速旋轉(zhuǎn)下使用的刀具必須進(jìn)行平衡禽车。

　　按照平衡理論寇漫，回轉(zhuǎn)體的不平衡可以分為3種：

　　靜不平衡：靜不平衡是只有一個(gè)不平衡質(zhì)量且該不平衡質(zhì)量位于兩個(gè)支承的正中間，因此其在旋轉(zhuǎn)中的離心力在兩個(gè)支承上反力的大小和方向均相等殉摔。在切削加工中的短懸伸刀具(如盤類刀具)可近似地認(rèn)為只是靜不平衡州胳。

　　偶不平衡：有兩個(gè)不平衡質(zhì)量，分布在對(duì)稱于支承中點(diǎn)的180°位置逸月，因此其在旋轉(zhuǎn)中的離心力在兩個(gè)支承上反力的大小相等方向卻相反栓撞，形成的是一個(gè)力偶。

　　動(dòng)不平衡：有兩個(gè)或兩個(gè)以上的不平衡質(zhì)量碗硬，分布不符合以上的規(guī)律腐缤，其在旋轉(zhuǎn)中的離心力在兩個(gè)支承上反力的大小和方向都不一樣「叵欤可以這樣認(rèn)為岭粤，動(dòng)不平衡是靜不平衡和偶不平衡的疊加，桿類刀具大部分都是此類不平衡特笋。

　　有兩個(gè)或兩個(gè)以上的不平衡質(zhì)量惰衬，分布不符合以上的規(guī)律，其在旋轉(zhuǎn)中的離心力在兩個(gè)支承上反力的大小和方向都不一樣嗦休「崽猓可以這樣認(rèn)為，動(dòng)不平衡是靜不平衡和偶不平衡的疊加，桿類刀具大部分都是此類不平衡鉴何。

　　不平衡的消除有加重茴夯、去重和調(diào)整三類方法，刀具的出廠預(yù)平衡多采用鉆孔去重的方法矢妄。即在經(jīng)平衡機(jī)測(cè)量并計(jì)算得到的位置鉆一個(gè)指定大小和深度的孔屁茁，以使刀具在該位置截面上得到靜平衡，或者在兩個(gè)位置上各鉆一個(gè)孔以實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡汇氛∽榉ィ可轉(zhuǎn)位刀具由于更換刀片和配件后會(huì)產(chǎn)生新的微量不平衡，整體刀具在裝入刀柄后也會(huì)在整體上形成某種微量不平衡呛靡，我們經(jīng)常會(huì)使用調(diào)整法來去除不平衡量以達(dá)到平衡目的硕帖。調(diào)整法主要有三種方式：

　　平衡調(diào)整環(huán)：高速加工中安裝整體刀具使用的刀柄主要采用這種方式，通常在刀柄上具有兩個(gè)平衡調(diào)整環(huán)铅鲤。通過分別旋轉(zhuǎn)平衡調(diào)整環(huán)划提，可以產(chǎn)生一個(gè)合力和一個(gè)平衡力矩，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡邢享。

　　平衡調(diào)整螺釘：盤類刀具可以采用這種方式腔剂。這種方法通常通過在一個(gè)(或兩個(gè))截面內(nèi)對(duì)兩個(gè)螺釘進(jìn)行徑向移動(dòng)來改變?cè)摻孛鎯?nèi)的質(zhì)心位置，從而達(dá)到平衡調(diào)整的目的驼仪。

　　平衡調(diào)整塊：大尺寸的單刃刀具(如單刃鏜刀)通常會(huì)設(shè)置一個(gè)平衡調(diào)整塊掸犬。該調(diào)整塊與單刃刀頭處于同一截面，徑向可以移動(dòng)绪爸。通過該調(diào)整塊的移動(dòng)來達(dá)到平衡湾碎。

　　減少刀具不平衡的方法，除了上述平衡方法以外奠货，減少刀具的重量也是一個(gè)有效的方法介褥。右圖是瓦爾特用于鋁合金高速切削的刀具。該刀具的刀體用高強(qiáng)度的鋁合金制造递惋。由于鋁的密度僅為鋼的34.6%柔滔，同樣制造精度下的離心力也就大大減少了。以直徑200mm的銑刀為例炬伶，相對(duì)于相同直徑鋼刀體銑刀浅腥，刀具的重量由9.8kg減少到3.7kg，允許使用的最高轉(zhuǎn)速也從4200r/min提高到13200r/min吻拼。

　　對(duì)于在高速切削條件下使用的刀具鱼雇，盤類刀具由于軸向尺寸相對(duì)較小，一般可以只進(jìn)行靜平衡局权；而桿類刀具的懸伸較長(zhǎng)礼猪，其質(zhì)量軸線與旋轉(zhuǎn)軸線之間可能存在的夾角就不能被忽略菱戒，因此必須進(jìn)行動(dòng)平衡。必須明確的是硅盹，只有在兩個(gè)或兩個(gè)以上截面中進(jìn)行的平衡調(diào)整才可能是動(dòng)平衡慧跋，而在一個(gè)截面內(nèi)進(jìn)行的平衡都應(yīng)是靜平衡。

　　就一般規(guī)律而言又竞，中心對(duì)稱的結(jié)構(gòu)的更適合高速加工械兽。同樣，帶削平的圓柱刀柄由于削平去除了刀具一側(cè)的部分材料菲藏，也造成了刀具的不平衡，對(duì)于高速切削也是不利的胆萧。加上其通常使用螺釘從側(cè)面壓緊庆揩，使刀柄上安裝孔與刀具柄部的間隙在夾緊過程中變?yōu)椴粚?duì)稱間隙，安裝后的不平衡可能被加劇跌穗，更不合適用于高速切削订晌。因此我們?cè)诟咚偾邢鞯牡毒哌x擇過程中要充分考慮其結(jié)構(gòu)的影響，避免刀具結(jié)構(gòu)在原理上就不平衡蚌吸。因?yàn)橥ǔＭㄟ^調(diào)整所能去除的不平衡量相當(dāng)有限锈拨，而原理上的不平衡往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出刀柄調(diào)整所能消除的不平衡的范圍。我們認(rèn)為刀具供應(yīng)者應(yīng)對(duì)自己提供的刀具能否用于高速切削作出明示「耄現(xiàn)在奕枢，許多歐美刀具商已經(jīng)在其樣本等宣傳資料上標(biāo)明了表示適用于高速切削的符號(hào)“HSC”或適用于高速加工的符號(hào)“HSM”，因此佩微，一般沒有標(biāo)注這類符號(hào)的就表示不適合高速切削缝彬。

　　三、安全性

　　由于高速切削通常會(huì)需要較高的轉(zhuǎn)速哺眯，由此使刀具在巨大離心力作用下發(fā)生破碎谷浅、解體的可能性大大增加。左圖的一組照片說明了這種問題不但存在止槽，而且具有不小的危險(xiǎn)椅砸。

　　山東大學(xué)在使用國(guó)內(nèi)某知名廠商生產(chǎn)的直徑100mm的面銑刀安裝單刀片進(jìn)行切削試驗(yàn)時(shí)，在轉(zhuǎn)速增加到5000r/min時(shí)揍久，僅有的一個(gè)刀片在離心力超過鍥塊摩擦力的情況下飛離了刀體嫡服，擊打在機(jī)床的防護(hù)鋼板上。而蘇州的一個(gè)用戶則比較不幸迁耘，他們的刀具破碎后碎片擊中了機(jī)床的防彈玻璃饼痘，結(jié)果是玻璃被完全擊碎。

　　那么车管，高速加工的刀具為什么會(huì)有如此大的破壞能力呢全僧？我們作了如下的簡(jiǎn)要分析旧败。如果一個(gè)直徑40mm的可轉(zhuǎn)位銑刀以40000r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工，其線速度為5024m/min公杰，即83.7m/s暮孕，以刀片重量0.015kg計(jì)算，其動(dòng)量為1.26 kg·m/s许起。這一結(jié)果與一著名的微聲手槍子彈的出膛動(dòng)量相當(dāng)(該手槍子彈彈頭重量約0.005kg十偶，出膛初速度為230m/s，因此動(dòng)量為1.20 kg·m/s)园细。

　　刀片式銑刀的結(jié)構(gòu)與安全性有很大關(guān)系惦积。山東大學(xué)在使用的刀片飛出的銑刀，是國(guó)內(nèi)普遍采用的鍥塊時(shí)夾緊方式猛频。這種夾緊方式完全依靠摩擦力來抵御離心力狮崩，刀片比較容易飛出，而采用螺釘夾緊方式的刀具則需要剪斷螺釘才會(huì)導(dǎo)致刀片飛出鹿寻，安全性大大提高睦柴。研究表明，用螺釘夾緊的銑刀隨著轉(zhuǎn)速的逐漸提高毡熏，螺釘會(huì)在離心力的作用下被拉長(zhǎng)坦敌，刀體也會(huì)發(fā)生輕微的膨脹。大約在30000~35000r/min時(shí)已達(dá)臨界應(yīng)力而出現(xiàn)永久性的拉伸變形痢法，而在在達(dá)到臨界速度之前狱窘，螺釘已經(jīng)出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，造成夾緊力下降财搁，刀片也隨之發(fā)生位移牧稳。

　　因此，我們必須充分注意高速加工刀具的安全性問題盅格，杜絕在高速切削時(shí)發(fā)生安全事故闰袒。德國(guó)高速切削的工作組就此提出的高速加工刀具安全性技術(shù)規(guī)范早已被建議成為德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該規(guī)范規(guī)定：對(duì)于刀片式的刀具鞭碳，生產(chǎn)商必須保證在1.6倍于最大使用轉(zhuǎn)速(np＝1.6nmax)下試驗(yàn)悴觅，刀具的永久變形或零件的位移不超過0.05mm，而在2倍于最大使用轉(zhuǎn)速(np=2nmax)下試驗(yàn)山滔，刀具不發(fā)生爆碎轰蜗；對(duì)于整體式刀具，則應(yīng)在np=2nmax條件下試驗(yàn)而不發(fā)生彎曲或斷裂莉紊。同時(shí)要求刀具生產(chǎn)商必須對(duì)可用于高速切削的刀具明示其最大使用轉(zhuǎn)速自葡。在此條件下使用刀具的安全性將得到充分的安全保證。當(dāng)然幼潮，對(duì)于非高速切削刀具(即在左圖的綠色部分)恤仁，則不需要作如此要求坏榜。因此我們?cè)谶x用高速切削刀具時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照生產(chǎn)商提供的核定最高轉(zhuǎn)速規(guī)定。但由于國(guó)內(nèi)尚無高速切削刀具的安全性標(biāo)準(zhǔn)隆檀，我們?cè)谶x用時(shí)需要更加慎重摇天。

　　對(duì)于高速切削的刀具，我們應(yīng)采取一定措施來保證其安全性恐仑。比如泉坐，瓦爾特要求對(duì)高速切削的刀片式刀具，使用原廠刀片鎖緊螺釘以保證安全性裳仆；刀片安裝時(shí)保證規(guī)定扭矩腕让；同時(shí)在刀片更換5次后，使用新的刀片鎖緊螺釘以防止螺釘因疲勞著成造成夾緊力下降歧斟，影響刀具的安全使用纯丸。

　　同樣，刀具生產(chǎn)商也應(yīng)該采取措施來加強(qiáng)刀具在高速加工中的安全性构捡。國(guó)外一些著名的刀具生產(chǎn)商近年來在刀片式刀具的開發(fā)中紛紛采用了技術(shù)措施來加強(qiáng)刀具的安全性液南，刀片與刀體間增加離心力卸載結(jié)構(gòu)就是其中之一壳猜。左圖的刀體上有一個(gè)突起勾徽，刀片的相應(yīng)位置上則有一個(gè)凹坑，刀片的離心力可由刀片與刀體間的摩擦力忿震、螺釘?shù)闹С辛碗x心力卸載結(jié)構(gòu)的支承力共同承擔(dān)斗黍，這樣抵御刀片飛出的能力得到了加強(qiáng)。

　　四肚浴、高速切削刀具的材料

　　雖然我們總是希望得到既有高的硬度以保證刀具的耐磨性掷佑，又有高的韌性來防止刀具的碎裂，但目前的技術(shù)發(fā)展還沒有找到如此優(yōu)越性能的刀具材料淡碟，魚于熊掌無法兼得霹壁。因此，我們會(huì)在實(shí)際中按照需要選用更合適的刀具材料：

　　粗加工時(shí)優(yōu)先考慮刀具材料的韌性一步；精加工時(shí)優(yōu)先考慮刀具材料的硬度剿稼。

　　金剛石、立方氮化硼和陶瓷的技術(shù)由來已久率满，他們共同的特點(diǎn)是硬度高茂禁，脆性大，不能承受較大的沖擊夷呐。

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