高速铣加工对刀具与刀座的要求

优胜编程龚老师

高速铣加工对刀具与刀座的要求:

高速切削（HSM）是现代铣削技术中被广泛使用的一项重要技术。通过应用 HSM 铣削技术，不仅可以铣削各种软硬材料，而且能够达到极好的工件精度。本文介绍了HSM对刀具与刀座的要求。




一、HSM 对切削刀具的要求

1. 几何形状

刀具振动直接影响加工所获得的表面质量。因此，在HSM精加工过程中保持刀具均匀的切削力极其重要，避免引发刀具振动。

刀具相邻几何特性对切削力的影响：

同心度好有利于负载在切削刃上均匀分布
较大的切削刃重叠有利于获得均匀的切削力特性（较大螺旋角和槽数）
短切削长度有利于获得较好的刚性（相对于机床陡壁，轴的直径被减小一点）
芯部横截面状态最好，槽口处的应力集中最小

可以使用HSM加工高强度材料，这意味着抗变形能力随着待加工材料硬度的增加而增大。切削刃上负载增加，要求对切削刃的几何形状进行稳定的设计。然而，高速切削状态下在工件表面的自由区域还将产生更多的摩擦热，这意味着必须减小刀具的间隙角。因此，增加切削刃的稳定性只能通过减小斜角的方式实现。在材料很硬、刀具材料很脆的情况下，甚至可能导致负的斜角。

精确配合的半径在刀刃尖部磨削，以避免突然变热时达到红热状态或者切削刃局部断裂。

如果对加工工件的形状精度要求很高，则所用精加工刀具的球部半径对于待加工工件的形状精度有直接的影响。因此，作为基本条件，在非常精密零件的精加工过程中使用具有非常严格半径公差（在微米范围内）的刀具是非常重要的。



2. 材料和涂层

刀具材料必须比待加工材料硬。工件材料与刀具材料之间的硬度差越大，刀具磨损越小，刀具使用寿命越长。因为局部温度很高，还必须保证刀具材料具有抗氧化性。

较大热负载波动和对刀具材料抗氧化性的要求使得最终需要在精细颗粒碳化钨刀体上进行涂层。

经过试用和试验的涂层系统，如使用 TiN、TiCN 和 TiAlCN在 HSM 加工中迅速达到了其极限。因此，多种成分的涂层系统被研制出来，它基于高铝含量氮化物、结合其它元素如钇、钒或钽。使用纳米层结构、CBN 和 PKD，还可以达到更高的性能。

二、HSM 对刀座的要求

由于在 HSM 加工中需要很高的主轴速度，因此，最好使用HSK-A 和 HSK-E 刀座系统。由于刀座法兰安装在主轴头上，刀座在 Z 方向上有明确的机械支撑，因此，在较高转速下，不会因离心力增大而拖进主轴。



根本的错误在加工准备阶段可能已经发生，致使较小振动和安全的过程控制不可能实现。要实现稳定的HSM加工，按照要求对刀具和刀座装置进行平衡并对其同轴度进行检查是至关重要的。还必须考虑与未平衡质量有关的旋转速度极限。



平衡不好或不同心的旋转刀具系统将导致：

非常糟糕的表面质量
非常低的刀具使用寿命
糟糕的加工稳定性和安全性
可能损坏铣削主轴

加工过程中因产生突变而造成不平衡以及偏离理想同心度，其结果在下面的原理图中看得非常清楚：



与完美同心度相比无偏差：较小的理论粗糙度



与完美同心度相比有偏差：较大的理论粗糙度

平衡质量对整个旋转系统的动态性能有着重要的影响。

不平衡相当于有一个偏心物体在旋转。这个偏心物体能够引发离心力，其随着转速的增加呈平方值增大。这意味着相同的不平衡在转速为 42,000 rpm 的主轴上引发的离心力是转速为 2,000 rpm 主轴的 441 倍（212 = 441）。因此，高速加工中刀具刀座装置的不平衡具有特别明显的不良后果。

应用 HSM 中的刀具夹紧技术，您可以与以下物品一起使用刀座：

夹头和
缩径接头

不建议使用替代系统如 Weldon 连接器，因为它们在 HSM加工中具有明显的缺陷。



由于带夹头的刀座良好的阻尼特性能够给粗加工过程带来好的效果，因此，与缩径接头一起可以达到极高的刚性和重复精度。这对获得完美的工件表面至关重要。使用缩径接头使您能够获得非常精确地同心度 （偏差低于0.003 mm）以及较大的传递扭矩。

各种缩径刀座的设计结构：传递扭矩取决于夹紧设备的设计结构；设计结构不同，它们可能区别很大。