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高速切削工具系统的构成与运用

吴国君;张颖
【期刊名称】《金属加工：冷加工》
【年(卷),期】2010(000)018
【总页数】5 页(P48-52)
【作 者】吴国君;张颖
【作者单位】航天科工集团第九研究院红阳厂,湖北孝感,432000;航天科工集团第
九研究院红阳厂,湖北孝感,432000
【正文语种】中 文

自 20 世纪 30 年代德国 Carl Salomon 博士首次提出高速切削概念以来，经过 50
年代的机理与可行性研究，70 年代的工艺技术研究，80 年代全面系统的高速切削
技术研究，到 90 年代初，高速切削技术开始进入实用化；90 年代后期，商品化
高速切削机床大量涌现；21 世纪初，高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用，
真正成为切削加工的主流技术。拥有高速切削机床与高品质的工具系统是实现高速
切削的两个必要条件，缺一不可。了解掌握高速切削工具系统的构成与功能，是运
用好高速切削工具的必经之路。笔者在长期从事高速切削工具选型工作与生产实践
中，对高速切削工具系统的构成与运用进行了认真的总结与深入研究。现将笔者所
了解到的一些高速切削工具系统种类及其运用介绍于下，以供同行更好地了解运用
好高速切削工具。
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由于高速切削时，主轴、刀柄及刀具在高速旋转情况下，较小的偏心就会产生较大
的离心力，由振动引起产品的质量下降、降低主轴和刀具的使用寿命。常规的刀具
刀柄系统难以满足高速切削时的切削刚度和精度要求。要使刀柄与主轴连接具有良
好的高速性能，最佳途径是将原来仅靠锥面连接定位，改为锥面与端面同时接触定
位，后者虽然是一种过定位方式，但因其能弥补仅靠端面定位方式的许多不足，现
已成为高速刀柄的主要结构形式。现阶段比较常用的高速刀柄系统主要有德国的
HSK 刀柄、美国的 KM 刀柄、日本的 NC5 刀柄。HSK 刀柄及 KM 刀柄均为
1∶10 的锥度，采用主轴锥孔和刀柄端面过定位的方式，实现刀具的定位夹紧，其
重复定位精度由传统 7∶24 的锥度刀柄±!m 提高到±1!m，采用这种刀柄系统
还可以提高主轴刚度和刀具的抗扭能力，且转速越高其锁紧力越大。但这种刀柄价
格较贵，一般为常规刀柄的 ～2 倍。下面介绍几种常用的高速铣削刀柄。
图 1 整体式刀柄
（1）整体式刀柄 如图 1 所示，整体式刀柄采用刀体和刀柄为一体的结构，在经过
动平衡测试调整后，再安装铣削刀片进行动平衡调节来满足高速铣削加工的需要，
该种刀柄使用方便，尤其适合模具的高速粗加工和铝合金高速铣削，刀柄转速一般
可以达到 10000～30000 r/min，使用该种刀柄的不足之处是成本较高。日本
Nikken 公司、奥地利森拉天时公司生产的铣削铝合金用高速刀柄，均采用了该种
形式。
图 2 热缩式刀柄
（2）热胀式刀柄 如图 2 所示。通过热胀式加热仪装置对刀柄孔加热，使之膨胀，
将刀具插入刀柄后进行冷却。加工过程中在温度梯度的作用下，刀具会越夹越紧。
其回转精度、结构对称性、动平衡性能均较液压式刀柄好，在欧洲应用非常广泛，
尤其适合模具等行业产品的高速切削加工，该刀柄转速可达到 40000r/min。有精
度高、刚性好的优点；缺点是操作不便，每次装夹必须对刀柄进行加热和冷却，容 : .
易引起刀柄的热疲劳和变形。刀具可换性差，一个刀柄只能安装一种连接直径的刀
具。一般而言，当企业的高速机床数量超过三台时，采用热胀式刀柄比较合适。
（3）液压式刀柄 如图 3 所示。该刀柄是高精度、高性能的刀具夹持柄，其回转精
度、结构对称性和动平衡性能均较好，减振性好，可有效提高切削效率和刀具的使
用寿命。液压式刀柄以德衡后转速可达到
25000r/min。在刀柄周围是一个液压腔，刀具插入刀柄后，用螺栓推动油腔顶部
的活塞使刀柄孔内壁膨胀，从而夹紧刀具。优点是精度高、刚性大、操作方便、定
位准确、本体直径小及易于清洗；缺点是对刀具的尺寸公差要求严格，一般要在
h6 以上。
图 3 热缩式刀柄
（4）高精度弹簧夹头刀柄 如图 4 所示。旋紧螺母→压入套筒→套筒内径缩小→夹
紧刀具。优点是同轴度较好，相对小的本体直径，需要一个平衡的螺母系统。但是
切削转速不能太高，一般可达到 12000～18000 r/min。如 Sandvik 公司的
CoroGrip 夹头，精度可达 ～（在 3D 处测量），其刚性优于液压
夹头。
图 4 弹簧夹头刀柄
（5）侧固式刀柄 如图 5 所示。侧固式刀柄难以保证刀具动平衡，在高速铣削时一
般不宜采用。
图 5 侧固式刀柄
高速铣削时应用精密弹簧夹头刀柄和侧固式刀柄，其转速由于受本身结构的限制，
一般难以达到 20000r/min。精密弹簧夹头刀柄一般可达到 12000～15000r/min，
而侧固式刀柄则难以达到 10000r/min，在高速机床上尽量少用。

（1）高速切削刀具材料 高速切削刀具材料同普通刀具材料比，具有更高的强度、 : .
硬度和耐热性。主要有硬质合金刀具、涂层刀具、金属陶瓷刀具、陶瓷刀具、立方
氮化硼（CBN）和金刚石刀具等。其中最常用的刀具是硬质合金刀具、涂层刀具
和金属陶瓷刀具。
硬质合金：高速铣刀通常采用细晶粒或超细晶粒硬质合金（晶粒尺寸 ～1!m）。
根据被加工材料选钨钴类（K）、钨钛钴类（P）或钨钛钽钴类（M）硬质合金，
但含钴量一般不超过 6%。
涂层刀具：高速铣削大量采用的是涂层刀具，基体以硬质合金为主，涂层材料有
TiCN、TiAlN、TiAlCN、CBN、Al2O3 等，通常采用多层复合涂层，如：
TiCN+Al2O3+TiN、TiCN+Al2O3、TiCN+Al2O3+HfN、TiN+Al2O3、TiCN、
TiAlN/TiN 和 TiAlN 等。TiAlN 涂层硬质合金在高速铣削中具有良好的切削性能。
金属陶瓷：主要有高耐磨性的 TiC 基金属陶瓷（TiC+Ni/Mo），高韧性 TiC 基金
属陶瓷（TiC+TaC+WC+Co）， 增 强 型 TiCN 基金属陶瓷（TiCN+bC），相比
硬质合金改善了刀具的高温性能，适合高速加工合金钢和铸铁。图 6 为华中科技
大学塑性成形与模具技术实验室开发的 Ti（C、N）基金属陶瓷可转位铣刀刀具，
其中银白色为未表面处理；金黄色已表面处理。
图 6 Ti（C、N）基金属陶瓷可转位刀片
该刀片硬度 89～92HRA、抗弯强度 1700～2500MPa，表面处理后表面硬度大于
200HV2、抗弯强度≥，已在中国一汽、江铃汽车有限公司、贵州航天电器
股份有限公司等单位进行了高速干式铣削实验，对于加工不锈钢、铁基高温合金等
材料效果较好。
陶瓷刀具：陶瓷刀具分为氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷和复合陶瓷三类，具有高硬度、
高耐磨性和热稳定性。Al2O3 基陶瓷刀具化学活性低，不易粘结和扩散磨损，适
合高速车削钢件；Si3N4 基陶瓷刀具强度和韧性较高，适合高速车削铸铁；
Al2O3+Si3N4（Sialon）复合陶瓷刀具有高的强度和韧性，高的抗氧化能力以及 : .
高的抗热冲击能力，但不适合加工钢件，适合高速切削铸铁和镍基高温合金。
CBN 刀具：具有高硬度、高耐热性、高化学稳定性和导热性，但强度稍低。按重
量比分，低含量 CBN（50%～65%）可用于淬硬钢的精加工；高含量 CBN
（50%～90%）可用于高速铣削铸铁，淬硬钢的粗加工和半精加工。
金刚石：分为天然金刚石和聚晶金刚石，高速铣削主要采用聚晶金刚石（ PCD），
具有非常好的硬度、导热性，低的热膨胀系数，通常用于高速加工有色金属和非金
属材料。晶粒越细越好，高速切削含 Si 量小于 12%的铝合金可用晶粒尺寸 10～
25!m 的聚晶金刚石，高速切削含量大于 12%的铝合金和非金属材料可用晶粒尺寸
8～9!m 聚晶金刚石。
必须注意的是刀具材料与工件材料之间有一个适配性问题，不存在一种万能刀具材
料可适用于所有工件材料的高速加工，这也是高速切削技术复杂性的一个方面。金
刚石刀具主要用于高速加工铝、铜及其合金等有色金属和非金属材料以及钛和钛合
金。立方氮化硼和陶瓷刀具主要适用于高速加工铸铁、淬硬钢以及镍基合金等高温
合金。陶瓷刀具、涂层硬质合金刀具和 TiC（N）硬质合金刀具等适用于高速加工
钢及其合金。高速机床和刀具材料价格比较昂贵是影响高速加工在国内普及的重要
原因之一，其中涂层硬质合金在高速加工中应用最为广泛，可用于铝合金、铸铁、
钛合金、耐热合金、高温合金及复合材料的高速切削。
（2）高速铣削刀具结构 高速铣削刀具分为整体式和机夹式两类。小直径铣刀一般
采用整体式，大直径铣刀采用机夹式。在高速铣削时一般不推荐使用平底立铣刀，
平底立铣刀在切削时刀尖部位有流屑干涉，切屑变形大，刀尖受力大，磨损速度快。
在工艺允许的条件下，尽量采用刀尖圆角半径较大的刀具进行高速铣削。高转速机
床对刀具直径有一定限制，整体式高速铣刀在出厂时经过动平衡检验，比较常用，
而机夹式需要在每次装夹刀片后进行动平衡检测。
数控加工由于其特有的优点，应用越来越广泛。但是数控切削不仅需要数控机床、 : .
编程软件，还需要配置必要的配套装置，才能充分发挥效率和质量优势。

（1）刀具动平衡仪 动平衡仪是针对现代高速加工中的刀具动平衡问题而推出的产
品，随着现代机械加工中高速切削的广泛发展，刀具自身的平衡问题对加工的影响
日益受到重视。
旋转刀具上微小的不平衡量，在高速切削时都会造成很大的离心力。比如，当主轴
转速从 1000r/min 上升到 10000r/min 时，刀具不平衡产生的离心力会增大 100
倍，不平衡引起机床振动和刀具振动，产生不均匀的切削力，从而导致不规则的磨
损，其结果一方面会影响工件加工精度和表面质量，另一方面影响主轴轴承和刀具
的使用寿命。
刀具平衡采用 ISO 1940 标准：该标准用于评价刚性旋转体的平衡情况。建立了 G
作为测量旋转零件动平衡质量的单位，用 G 参数的数离量对刚性旋转体进行分级。
G 的数字量分级从 到 G4000。G 后面的数字越小，平衡等级越高。G 后面的
数字表示每单位旋转体质量允许的残余不平衡量，G 的单位是 g·mm/kg，也等于
残余质量中心以!m 表示的偏移量。
根据 ISO 1940—1 的 G 等级标准，允许的不平衡量 U（g·mm）可用下式表示

式中 G——G 等级量（g·mm/kg）；
m——刀具质量（kg）；
n——主轴转速（r/min）。
由不平衡量产生的相应离心力

式中 F——不平衡力（N）。
在高速加工中，刀具系统的不平衡当然是越小越好，但是进行严格的刀具动平衡需 : .
要花费很多的人力物力。平衡应该达到的程度，一方面要考虑加工零件的质量要求，
同时也要考虑成本。具体的要求应该根据实际情况决定。一般来说是否要进行进一
步的动平衡，可遵循以下两个基本原则：要求由不平衡产生的离心力要远小于切削
力。当前的不平衡情况已无法满足零件的加工要求，即正在使用的刀具系统虽然经
过动平衡，但并不能达到零件加工精度和表面粗糙度值的要求。
刀具的动平衡方法：由于高速铣削动平衡的要求，在配置高速铣削刀柄、刀具时优
先配置经过动平衡测试的刀具系统，其次用户可以自行采用动平衡机及调整系统进
行动平衡调节。刀具动平衡分机外动平衡和机上动平衡两种：机外动平衡需专用机
外动平衡机，由动力装置提供旋转运动，测量出动不平衡的质量和相位，再通过调
整平衡环或在特定位置去掉部分材料，使刀具系统达到动平衡标准的要求，但其使
用非常麻烦；机上动平衡机则用机床主轴提供旋转运动，把刀具装在主轴上，在工
作转速下测量和调整平衡。美国 Kennametal 公司推出了一种通过调节主轴系统
的自动平衡刀柄系统 TABS 刀柄，但目前应用还不广泛。HAIMER 的动平衡仪
（见图 7）是各种刀柄生产企业、航空、航天高速加工、模具业高速加工及其他类
似领域的最佳选择。
图 7 HAIMER 公司的动平衡仪
（2）热胀仪和对刀仪 热胀仪是热胀式刀柄在连接时使用的一种专用加热器，刀柄
利用热膨胀与冷收缩夹紧刀具（见图 8）。与刀杆柄部相比，刀柄上装夹刀具的孔
径略微小一些。加热刀柄时该孔张开，允许刀具插入。当刀具冷却时，该孔收缩并
与刀具形成上一个同轴且牢固的夹紧。
图 8 热胀仪
热胀仪以德国 Thermal Grip 为典型代表，和热胀式刀柄配合使用，利用电涡流加
热原理，具有快速加热及冷却的特点（加热夹紧时间为 5s，冷却时间小于 30s），
可用于直径 3～32mm 的刀具。对刀仪适用于测量数控机床（包括加工中心和柔 : .
性制造单元等）上所使用的镗铣类刀具及车刀类刀具切削刃的精确坐标位置，并能
检查刀具的刃口质量，测量刀尖角度，圆弧半径及盘类刀具的径向跳动等。仪器的