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摘 要：针对航空整体结构件的形状复杂、壁薄、体积大等结构特性和材料去除率高、难加工、易变形的工艺特征，结合高速切削加工的技术和经济优势的特点，分析和 讨论了航空整体结构件高速切削加工过程中涉及到的刀具材料、切削参数、走刀策略和装夹方式等对加工质量和加工效率产生的影响。

1引言

随 着现代飞机、航天器性能要求的不断提高，许多骨架零件尤其是主承力结构件(如飞机的大梁、隔框、壁板；火箭的整流罩、舱体和战略武器战斗部壳体等)普遍采 用由大型整块毛坯直接“掏空”而加工成复杂槽腔、筋条、凸台和减轻孔等整体结构件。整体结构件体积大、壁薄、刚度差、易变形、切削加工余量大，加工周期 长，加工质量和精度很难控制，对此类航空整体结构件实现高精度、高效率和高可靠性的切削加工一直是航空制造业面临的一个重要课题。 随着 高速切削加工机床和刀具的快速发展，高速切削加工以其加工效率高、切削力小、工件的热变形和热膨胀小、加工表面质量好、经济效益高及适宜加工复杂和细长薄 壁件等独特优势首先在航空航天整体结构件的加工中得到了广泛的应用。本文分析和讨论了高速切削加工整体结构件中，影响加工质量和加工效率的因素包括刀具选 择、切削加工参数、走刀策略、装夹方式等的问题。 2 切削刀具的选择 飞机机体的60%～70%为加入Si、 Cu、 Mn等合金元素的7075、7050、2024、6061类热处理预拉伸变形铝合金材料，物理和机械性能如表1所示。其硬度与熔点低，具有极好的易切性， 但切削时容易粘刀、产生积屑瘤，降低了加工表面质量。同时随着铝合金硅含量的增加，加工难度也增大。钛合金具有比强度和热强度高、耐腐蚀性能好和低温性能 好等优点，被广泛应用在飞机上的许多构件上，如发动机构件、骨架、紧固件、起落架、壁板等。钛合金属于难加工材料，其导热性差、化学活性大、弹性模量小， 在高速加工中有切削温度很高、单位面积上切削力大、加工冷硬现象严重、刀具易磨损等缺点。 基于航空铝、钛合金等材料的性能特点，选择与之合理匹配的刀具材料和几何参数是决定切削性能优劣的关键。 表1 航空铝合金材料的物理与机械性能 铝合金 牌号及 状态 热膨胀系 数(20～ 100)℃ 熔点范围 (℃) 电导率 (20℃) 电阻率 (20℃) 拉伸强度 (25℃MPa) 屈服强度 (25℃MPa) 7050-T7451 23.5 490-630 41 0.0415 510 455 7075-T651 23.6 475-635 33 0.0515 572 503 2024-T351 23.2 500-635 30 0.058 470 325 6061-T651 23.6 580-650 43 0.040 310 276 刀具材料的选择 高 速切削加工的刀具材料除了满足高硬度、耐磨性、强度、韧性、抗氧化性及抗粘结性、工艺性和经济性的要求外，还应具备高的耐热性、抗热冲击性，良好的高温力 学性能和高可靠性。不同的刀具材料，适用加工的工件材料不同。PCD刀具耐磨性、导热性、刀刃锋利性好，硬度高，是高速加工铝合金最广泛采用的刀具材料。 铝合金中含硅量不同，PCD刀片的粒度也不同。加工硅含量<12%的铝合金，选择pcd刀片的粒径为8～9µm；而加工硅含量>12%的高硅 铝合金，PCD粒径为10～25µm时加工效果最好。涂层硬质合金和超细晶粒硬质合金刀具加工铝合金也可达到很好的效果。对于整体结构件中常见铝合金复杂 型面的高速切削加工，多采用整体超细晶粒硬质合金加工。一般不用氧化铝基陶瓷刀具加工铝合金，因为铝与氧化铝基陶瓷的化学亲和力易产生粘结现象。 选 择加工钛合金刀具的材料时，应从降低切削温度和减少粘结磨损两方面考虑，选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金化学亲和力差的材料。普通涂层刀 具加工钛合金磨损较为严重，天然金刚石刀具的加工效果很好，但受成本制约，无法得到广泛应用。与普通硬质合金刀具相比，TiN涂层硬质合金刀具、PCD刀 具高速切削加工钛及钛合金的效果较好。通常切削钛及其合金选用的刀具材料以不含或少含TiC的硬质合金刀具为主。大量试验证明，YT(P)类硬质合金加工 时磨损严重。目前主要采用YG类硬质合金刀具(YG8、YG3、YG6X等)和PCD切削钛及合金，在乳化液冷却的条件下，切削速度可达 200m/min。对于加工钛合金用的多刃、复杂刀具，可选用高速钢类材料，如生产中常用的高钒高速钢W12Cr4V4Mo，铝高速钢 W6Mo5Cr4V2Al等。 几何参数的选择 铝合金的高速切削加工，速度很高，刀具 前刀面温升高，前角比常规切削时的刀具前角约小10°，后角稍大约5°～8°，主副切削刃连接处需修圆或导角，以增大刀尖角和刀具的散热体积，防止刀尖处 的热磨损，减少刀刃破损的概率。在PCD刀具超高速切削铝合金时，切削厚度较小，属于微量切削，后角及后刀面对加工质量的影响较大，刀具最佳前角为12° ～15°，后角为13°～15°，以减小径向切削力。钛合金塑性低、切屑与前刀面的接触长度短，应选用小前角，以增加切屑与前刀面的接触面积，改善散热条 件，加强切削刃，一般取g0=5°～15°。从提高刀具寿命和切削加工的表面质量考虑，钛合金加工应尽可能选用大后角a0=8°～15°。不同的刀具材料，不同的加工质量要求，刀具的最佳几何参数也随之变化。例如，硬质合金刀具粗加工钛合金时前角g0=-6°～6°效果最佳，精加工时g0=0～15°；而高速钢刀具加工时前角g0=5°～15°，后角a0则一般取12°左右。 3 切削参数与切削方式 高 速切削加工整体结构件时，一般采用顺铣方式加工，刀具缓慢切入工件，以降低产生的热量并减小径向力。例如，在铣削钛合金TC4(Ti-6Al-4V)时多 采用不对称顺铣法，使刀齿前面远离刀尖部分首先接触工件，刀齿切离时的切屑很薄，不易粘结在切削刃上。而逆铣则相反，容易粘屑，当刀齿再次切入时切屑被碰 断，造成刀具材料剥落崩刃。其次，尽可能保持稳定的切削负载，因为负载的变化会引起刀具的偏斜，从而降低加工精度和表面质量，并缩短刀具寿命。最后，大去 除量的整体结构件加工(如大型件的槽加工)时，一般采用分层切削，小切深，中进给。在加工内部型腔时，当刀具进到拐角处时，采用摆线切削，可避免切削力突 然增大，否则产生的热量会破坏材料的性能。 目前在航空制造业的高速加工中，钛合金的切削速度可达到90m/min以上，铝合金的切削速 度达1500～6000m/min。在此速度范围加工铝合金时，切削温度高于积屑瘤消失的相应温度，有效地避免了积屑瘤的产生，提高了加工表面质量。同 时，铝合金含硅量越高，切削速度应越低，加工高硅铝合金时切削速度在300～1500m/min时加工效果较好。 图1 某飞机机翼零件 通 常采用的切削方案为：高切削速度、中进给量和小切削深度。但实际加工中，并不是切削速度越高，效果越好，要对工件、刀具以及设备综合考虑制订合理的加工方 案。例如，某航空制造公司生产的某飞机机翼上零件(铝合金7050)薄壁型腔内，有两个凸台孔，如图1所示。采用硬质合金立铣刀，切削速度v= 1300m/min，进给量fz=0.5mm/z、切深ap=3～5mm，往复走刀越过凸台孔方式加工，加工成本过高。经工艺改进后，在A区域采用高速钢 刀具，切削速度v=800m/min左右，大切深ap=10mm，粗加工后到凸台孔位置，更换硬质合金刀具对B区域进行高速铣削加工，不仅可保证加工效 率、表面精度，且降低了成本。 4 走刀策略 航空结构件加工的效率和工件变形很大程度上取决于加工的走刀路径。高速切削要保证刀位路径的方向性，即尽可能简化，少转折点，路径尽量平滑，减少急速转向。 图2 不同的曲面走刀路径 在 保证加工精度的前提下，应减少空走刀时间，尽可能增加切削时间在整个工件中的比例，以提高加工效率。国内目前航空业的高速切削加工主要采用回路切削，通过 不中断切削过程和刀具路径，减少刀具的切入和切出次数，获得稳定、高效、高精度的切削过程。对于整体结构件中常见的薄壁框体零件，采用单一的环切、螺旋切 削时，腹板变形很难控制，而采用分步环切法走刀后，通过零件未加工部分自身的刚性，可达到减小腹板变形的目的。 另外，在航空、航天的大型复杂曲面高速切削加工中，曲面曲率变化大时，应以最大曲率半径方向作为最优走刀方向，如图2a所示；曲面曲率变化小时，曲率半径对走刀方向的影响减弱，宜选择单条刀轨平均长度最长的走刀方向，如图2b所示。 5 装夹方式 航 空整体结构件大多为表面由数个槽腔和孔组成的双面结构设计，机械加工时装夹困难、易产生加工变形、表面加工质量很难控制。在实际装夹时应考虑满足翻面加工 时能提供较好的定位和支撑、较薄的结构能提供辅助支撑、外轮廓加工时能连续进行切削等要求。从压紧调整、结构调整、定位调整几个方面考虑，目前航空制造业 普遍采用的装夹方式有机械、液压可调夹具、真空吸附装夹等几种。 压紧调整可利用液压可调夹具，即压板在零件加工过程中可以松开，并可移 出刀具加工区，保证刀具切削轨迹的连续性，刀具切过压紧位置后，夹具系统再使压板返回原来的压紧位置；结构调整是利用改变或更换夹具的部分组件以适应不同 零件的加工装夹要求，如可换基础垫板、组合夹具等。实现良好的定位调整方式比较复杂，国外的航空业正采用一种新的装夹方式——电控永磁吸盘装夹，水平与高 度都可以移动，加工时工件无需重复装夹与定位，很好的解决了定位调整的问题，但成本较高。 目前国内航空结构件的装夹存在凭经验来确定装 夹力大小、位置及作用顺序，没有考虑高速切削热力耦合对工件变形的影响等问题，很难保证工件的加工精度，并给加工后的工件校形带来很大的困难［24］。同 时由于航空件自身结构的特殊性，在实际装夹中存在许多问题。例如，大厚度(50mm以上)整体结构件在机床上粗加工的装夹，若采用真空吸附方式，由于夹紧 力小难以与夹具定位面紧密贴合；若采用压板压紧，在基准面加工时，零件的后续定位产生偏差，产生整体加工变形；另外双面结构件在加工中，有些加工部位缺少 支撑，容易产生局部加工变形而导致零件结构厚度难于控制；国内常采用的预留工艺凸台方法加工刚度差的薄壁件，造成材料的浪费；若在零件内部压紧，被压紧的 薄壁部位可能对零件产生变形甚至损伤，很难达到理想效果。在高速切削加工航空整体结构件的装夹方面，还需要做大量的研究工作。 6 结语 高 速切削技术被广泛应用在航空制造业，但整体件自身结构的复杂性，高速切削时刀具的选择、切削参数的选用以及走刀策略和装夹方式是高速切削加工成功应用的关 键，本文通过对以上问题的分析和讨论得到：①基于航空整体结构件的常用材料的性能特点，分析了高速切削加工航空整体结构件刀具材料及几何角度的选择，给出 了铝合金、钛合金加工中合理的刀具材料和几何角度。②航空整体结构件高速铣削时一般采用顺铣加工方式，并保持切削负载稳定，切削加工时综合考虑切削速度、 进给量和切削深度对切削效率和加工变形的影响，并不过分追求高的切削速度。③对于加工中的走刀策略进行了分析，讨论了分布环切法以及对不同曲率的复杂曲面 的最大曲率半径方向或单条刀轨平均长度最长走刀，通过合理的走刀策略，控制加工中的变形问题。④针对航空整体结构件装夹困难、易变形的现状，从压紧调整、 结构调整、定位调整的角度对目前的机械、液压、真空吸附等装夹方式的优劣进行了分析，指出了现有装夹方式在装夹中普遍存在的问题。

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高速切削的定义是什么？

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制 造业是产生工业污染的主要来源之一，其中传统加工所使用的切削液给环境造成了严重的污染。随着人们对环境保护的日益重视，尤其是环境保护法规的 严格实施，对制造业产生的环境污染提出了更高的要求。一种能减少对环境污染、节约资源和能源的绿色制造技术——干切削加工技术，越来越受到人们的重视。近 年来，许多发达国家在工厂条件允许的情况下正积极地采用干式切削加工技术，以达到减少切削加工的润滑污染、降低加工成本的目的。 1 干式切削加工相关技术 干 式切削加工技术是在无冷却或少许润滑油、剂的条件下，采用高切削速度进行切削加工的方法。在于式切削条件下，失去切削液、冷却、清洗、排屑的作用，切削条 件非常恶劣。在切削区域会产生大量的切削热将无法及时的散发，温度和切削力大幅度上升，摩擦力增大，刀具磨损加快，生产效率降低。因此要使干式切削加工工 艺得到很好地推广，充分发挥其优势，克服其缺点，就必须要很好地解决干式切削加工相关地技术难题。 刀具结构 干式切削刀具应满足以下要求： 刀具材料应有良好的耐热性和耐磨性； 切屑及刀具之间的摩擦系数要尽可能小； 刀具的结构要保证排屑流畅与散热； 刀具应有高的强度和抗冲击韧性。 图1 热管式车刀 图2 热管式铣刀 图3 ALPHA22钻尖结构 刀具结构为了保证干式切削对断屑、排屑及自冷却的要求，必须对刀具结构和几何参数进行优化。如： 在切削力较小的情况下，可采用大前角和大圆度切削角； 采用负前角或前后刀面凸起，以延缓月牙哇对刀刃的损伤； 增大负刃倾角，改善刀刃及刀头的切入状态，提高刀具的抗冲击和抗热震能力。 图1 为热管式车刀结构、图2为热管式铣刀结构。其结构特点是在车刀的刀体和铣刀的每个刀齿内部制成空心的热管，配以冷气系统，可把大量的切削热量带走。图3为 德国TITEX公司开发的干式深孔钻头“ALPHA22”钻尖结构。该钻头刀刃经过专门优化设计，以减少刀具与工件间的接触强度。 刀具材料 近几年，高硬度材料的出现，为干式切削提供了可能。目前应用于干式切削加工的刀具材料主要是：超细硬质合金、陶瓷刀具、金刚石与氮化硼等超硬度材料。 超 细 硬 质合金可以提高普通硬质合金的韧性，具有很好的耐磨性和耐高温性，可用于制作大前角的深孔钻头、刀片作铣削和钻削的干式加工。 立方氮化硼(CBN)材料的硬度高，达3，200～4，000HV，仅次于金刚石、热传导率好，达1，300W/MK、具有良好的高温化学稳定性，在1，200℃下热稳定很好。采CBN刀其用于加〔铸铁，可大大提高切削速度、用于加工粹火钢，可以以车削代替磨削。 聚晶金刚石(PCD)刀具硬度高，可达7，000～8，000HV，热导率可达2，100 W/MK，线膨胀系数小。PCD刀具切削时产生的热能很决从刀尖传递到刀体，从而减少刀具热变形引起的加工误差。PCD刀具适用于干式加工铜、铝及铝合金工件。 涂 层硬质合金刀具很适合干式切削加工。涂层的作用主要是在刀具与切削材料之间形成隔热层，抑制切削的热冲击，减少摩擦系数，减少刀具的磨损。刀具涂层厚度为 1～5µm。涂层的材料有TiC， TiAlN， TiCN等，其中TiAlN具有较好的耐热性能和高温性能，其高温连续切削性能是TiC涂层的4倍，高温硬度高于TiN。表1是SECO公司用涂层刀具进 行干式铣削的情况。 低温冷风切削 低温冷风切削的概念是由日本人 横川和尹首先提出来的是一种在-10～-100℃冷风冷却和非常微量的植物油润滑条件下进行干式切削的技术。有关研究表明，在刀具表面涂一层薄薄的植物 油，在切削加上点进行低温冷风冷却，其干式加工的效果很理想。如，在切削条件为：工件直径：Ø92～Ø98mm；切削速度45.1～48.Om/min； 进给 O.5mm；切削余角：45°；刀具：刀具半径RO.4mm， SKH高速钢不重磨刀片的试验结果：以刀具后刀面磨损宽度达0.2mm为评价严重磨损的指标的话，完全干式切削时刀具切削长度为1000mm、只供给 Acc-Lube精密润滑油的刀具切削长度为1500mm、只用-12℃的冷风，切削长度为2000mm、在供给-12℃冷风的同时，在切削部位注入 1ml/h的Acc-Lube精密润滑油，切削长度为4000mm。 表1 涂层硬质合金刀片的应用 刀具种类 涂层材料 适用的加工材料 T150M Ti(C、N)+Al203 灰口铸铁、球墨铸铁 T250M TiC，Ti(C、N)+TiN 碳钢、不锈钢 F20M Ti(C、N)+(Ti、Al)N+TiN 不锈钢 F40M Ti(C、N)+(Ti、Al)N+TiN 不锈钢 气雾润滑切削 气 雾润滑是采用一定的喷射冷却装置，将冷却液雾化为毫米级的气雾，不断喷射到刀具表面进行润滑的切削加工。其工作原理是把冷却液通过喷射装置与空气充分混 合，并且，在高压下通过多孔喷射出内喷嘴形成冷却循环、外喷嘴形成气柱，对刀具进行冷却与润滑。该方法能节约大量的冷却液，其冷却液用量在50ml/h以 下。在钢加工和孔深为5倍以上的孔加工中采用此办法效果很好。 2 干式切削加工的应用 在 一般的切削加工中，由于切削力和金属变形将在切削区产生很高的切削热，必须用冷却润滑剂对刀其进行冷却。但是，如果采用上述技术措施，如，改进刀具材料与 结构、改变冷却形式、及时排除切屑等，完全能实现干式切削加工。如美国Makino公司的“红月牙”干式加工技术，该技术采用高切削速度和大进给加工铸 铁，使热量很快聚集在切削刀具前端，刀具前端形成红热状态，工件加工区域形成370℃左右的高温，此时，工件的屈服强度减小，从而使切削效率大大的增大在 通常情况下，加工铸铁的切削速度为914～1219m/min、切除率16cm3/min而采用“红月牙”干式切削工艺切削速度将能达到1828～3048m/min，切除率达49cm3/min。与此同时由于工件的屈服强度、切削阻力减小提高了主轴入口的夹紧力，简化了复杂工件的加工过程。如，LeBlong公司在一台加工中心上仅用三种夹具就完成了V8缸体的全部加工，取代了26工位的传输线。 3 结束语 干 式加工与湿式加工相比，不但提高了生产效率，降低了生产成本，而且有利于环保，是一种理想的，清洁的金属切削加工方法。我国的干式切削加工技术同国外相比 还有较大的差距，随着干式切削加上技术在我国金属切削加工中的推广，尤其是在车削铣削中的广泛应用，必将提高我们的切削加工效率，降低生产成本、提高零件 的切削加工质量。

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超 细晶粒硬质合金是一种高硬度、高强度和高耐磨性兼备的硬质合金，它的WC粒度一般为0.2～1.Oµ,m以下，大部分在0.5µ,m以下，是普通硬质合 金WC粒度的几分之一到几十分之一，具有硬质合金的高硬度和高速钢的强度。其硬度一般为90～93HRA，抗弯强度为2000～3500MPa，比含钴量 相同的一般WC-Co硬质合金要高，与加工材料的相互吸附-扩散作用较小，特别适用于耐热合金钢、高强度合金钢以及其它难加工材料。
下面以超细晶粒硬质合金YS2,YM051,YM052等刀具牌号为例，阐述在加工耐热合金钢生产中的一些应用。
YS2 硬质合金YS2硬质合金是株洲硬质合金厂生产的一种超细晶粒硬质合金，其性能相当于ISO标准中的K30，它的WC晶粒尺寸小于0.5µ,m，硬度为 91.5HRA，抗弯强度达2200MPa，在800℃时的高温硬度为930HV，比一般YG类硬质合金高出200～300HV。
在加工K3镍基 铸造合金的外圆时，在相同切削用量v=5～6m/min,f=0.5mm/r,ap=0.1mm 的条件下，YG8的磨损为0.5mm左右，YS2为0.25mm;在后刀面磨损量同为0.3mm时，YS2的刀具耐用度为15min，而YG8或YG8W 的刀具耐用度还不到5min。
用YS2车刀加工耐热不锈钢Cr17Ni2时，当以n=700r/min、 f=0.04min/r,ap=0.5～0.6mm的切削用量镗f30+0.03mm孔时，在保证精度及表面粗糙度的条件下，刀具刃磨一次的加工件数为: YT15为4～5件，YT05为29～50件，而YS2则可加工90～140件。由此可见，超细晶粒硬质合金YS2的耐磨性或刀具耐用度要比普通硬质合金 高。
YM 系列硬质合金YM051、YM052、YM053是上海硬质合金厂生产的一种超细晶粒硬质合金，它的WC平均晶粒尺寸为0.4～0.5µm, 1µm以下的占95%以上，硬度大于92.5HRA，抗弯强度在1600MPa以上。YM051、YM052的通用性很强，既能加工钢材，又能加工铸铁， 对耐热合金钢如铁基、镍基高温合金、钛合金、耐热不锈钢等难加工材料的加工效果尤为显著，YM053则主要用于加工各种铸铁。
在车削GH132铁 基耐热合金钢(f62～f400mm)端面时，在相同切削用量n1=45r/min，ap1=1.Omm,f=0.15mm/r的条件 下，刀具走一刀后的磨损量分别是YM051为0.1mm,YS2为0.21mm,YG8为0.35mm；当n2=60r/min,ap和f值不变时，则分 别为0.1mm，0.25mm，0.27mm。在车削其外圆时，用同一切削用量n=20r/min,ap=0.8, f=0.07mm/r，并在采用切削液的条件下，原来使用的高速钢车刀每刃磨一次只能加工一件，还保证不了锥度;用YG8车刀容易产生崩刀，每次刃磨也只 能加工一件;而采用YS2或YM052车刀，每次刃磨后可加工2～3件，并能较好地保证工件的锥度和表面粗糙度。
当粗车合金半钢轧辊(硬度为 60～70HS，尺寸为f800×1800mm)时，在切削用量v=17m/min,ap=16mm(YT5)或20mm (YM052),f =0.625mm/r(YT5)或1.75mm/r(YM052)的条件下YT5刀具耐用度明显低，只能加工200～300mm，加工效率亦低； YM052能加工500～600mm，加工效率是YT5的2～3倍。
由上可知，超细晶粒硬质合金刀具，由于其晶粒极细，刀刃可以磨得锋利、光洁； 同时由于它的强度和硬度都很高，故能长时间保持刀刃有极小的圆弧半径和粗糙 度。因此，在加工耐热合金钢时，使用YS2、YM051、YM052、YD05等超细晶粒硬质合金刀具比采用YT、YG、YW三类普通硬质合金刀具有较好 的耐热性和综合耐磨性能，不仅其刀具耐用度有明显提高，切削效率提高数倍，而且加工工件的表面粗糙度也显著降低。它与立方氮化硼CBN刀具相比，虽然耐磨 性稍低一些，但其价格却比CBN低得多，因此，可广泛推广应用。

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前言

高速铣削工艺在汽车、飞机和模具制造业中应用广泛。由于铣刀高速旋转时刀具各部分承受的离心力已远远超过切削力本身的作用而成为刀具的主要载荷，而离心力达到一定程度时会造成刀具变形甚至破裂，因此研究高速铣刀的安全性技术对发展高速铣削技术有着极其重要的意义。

高速铣刀安全性技术研究的现状

20 世纪90年代初德国就开始了对高速铣刀的安全性技术研究，并制订了DIN6589-1《高速铣刀的安全要求》标准草案，规定了高速铣刀失效的试验方法 和标准，在技术上提出了高速铣刀设计、制造和使用的指导性意见，规定了统一的安全性检验方法。该标准草案已成为各国高速铣刀安全性的指导性文件。

2.1高速铣刀的安全失效形式与试验方法

标 准草案规定了高速切削的速度界限，超过该速度后离心力将成为铣刀的主要载荷，必须采用安全技术。在刀具直径与高速切削范围关系图中，曲线以上区域为该标 准规定的铣刀必须经过安全检验的高速切削范围：对于直径d1≤32mm的单件刀具（整体或焊接刀具），其切削速度超过10000m/mm为高速切削范围； 对于直径d1>32mm的装配式机夹刀具，高速切削范围为线段BC以上区域。

高速铣刀的安全失效形式有两种：变形和破裂。不同类型 铣刀的安全试验方法也不同。对于机夹可转位铣刀，有两种安全试验方法：一种方法是在1.6倍最大使用 转速下进行试验，刀具的永久性变形或零件的位移不超过0.05mm；另一种方法是在2倍于最大使用转速下试验，刀具不发生破裂（包括夹紧刀片的螺钉被剪 断、刀片或其他夹紧元件被甩飞、刀体的爆裂等）。而对于整体式铣刀，则必须在2倍于最大使用转速条件下试验而不发生弯曲或断裂。

2.2高速铣刀强度计算模型

高速刀具在离心力的作用下是否发生失效的关键在于刀体的强度是否足够、机夹刀的零件夹紧是否可靠。当把离心力作为主要载荷计算刀体强度时，由于刀具形状的复杂性，用经典力学理论计算得出的结果误差很大，常常不能满足安全性设计的要求。

为 了在刀具设计阶段对其结构强度在离心力作用下的受力和变形进行定性和定量的分析，可通过有限元方法计算不同转速下的应力大小，模拟失效过程和改进设计方 案。高速铣刀有限元计算模型中包括刀体、刀体座、刀片和夹紧螺钉。首先计算刀体（包括螺钉、刀片等零件质量）的弹性变形，再对分离出的刀座作详细分析，把 所获得的刀体弹性变形作为边界条件加到刀座分离体；然后由切出的刀座、刀片、螺钉及无质量的摩擦副组成刀片夹紧系统的模型，进行夹紧的可靠性分析。有限元 模型能模拟刀片在刀座里的倾斜、滑动、转动以及螺钉在夹紧时的变形，可计算出在不同转速下刀片位移和螺钉受力的大小。

3提高高速铣刀安全性的措施

结合高速铣刀安全性标准，通过有限元计算模型的分析，为适应安全性要求，可采取以下措施：

（1）减轻刀具质量，减少刀具构件数，简化刀具结构

由 试验求得的相同直径的不同刀具的破裂极限与刀体质量、刀具构件数和构件接触面数之间的关系，经比较发现，刀具质量越轻，构件数量和构件接触面越少，刀具 破裂的极限转速越高。研究发现，用钛合金作为刀体材料减轻了构件的质量，可提高刀具的破裂极限和极限转速。但由于钛合金对切口的敏感性，不适宜制造刀体， 因此有的高速铣刀已采用高强度铝合金来制造刀体。

在刀体结构上，应注意避免和减小应力集中，刀体上的槽（包括刀座槽、容屑槽、键槽）会引 起应力集中，降低刀体的强度，因此应尽量避免通槽和槽底带尖角。同 时，刀体的结构应对称于回转轴，使重心通过铣刀的轴线。刀片和刀座的夹紧、调整结构应尽可能消除游隙，并且要求重复定位性好。目前，高速铣刀已广泛采用 HSK刀柄与机床主轴连接，较大程度地提高了刀具系统的刚度和重复定位精度，有利于刀具破裂极限转速的提高。此外，机夹式高速铣刀的直径显露出直径变小、 刀齿数减少的发展趋势，也有利于刀具强度和刚度的提高。

（2）改进刀具的夹紧方式

模拟计算和破裂试验研究表明，高 速铣刀刀片的夹紧方法不允许采用通常的摩擦力夹紧，要用带中心孔的刀片、螺钉夹紧方式，或用特殊设计的刀具结构以防止刀片 甩飞。刀座、刀片的夹紧力方向最好与离心力方向一致，同时要控制好螺钉的预紧力，防止螺钉因过载而提前受损。对于小直径的带柄铣刀，可采用液压夹头或热胀 冷缩夹头实现夹紧的高精度和高刚度。

（3）提高刀具的动平衡性

提高刀具的动平衡性对提高高速铣刀的安全性有很大的帮助。因为刀具的不平衡量会对主轴系统产生一个附加的径向载荷，其大小与转速的平方成正比。

设旋转体质量为m，质心与旋转体中心的偏心量为e，则由不平衡量引起的惯性离心力F为：

F=emω2=U（n/9549）2

式中：U为刀具系统不平衡量（g·mm），e为刀具系统质心偏心量（mm），m为刀具系统质量（kg），n为刀具系统转速（r/min），ω为刀具系统角速度（rad/s）。

由上式可见，提高刀具的动平衡性可显著减小离心力，提高高速刀具的安全性。因此，按照标准草案要求，用于高速切削的铣刀必须经过动平衡测试，并应达到ISO1940－1规定的G4.0平衡质量等级以上要求。

4结语

高速铣刀安全性技术是研究高速刀具的一个重要内容，应加强刀具安全性的定量分析，精确确定影响高速铣刀安全性的微量因素，并从刀具的材料、结构、制造工艺等方面解决好高速铣刀的安全性。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　表5-6-2　中国与欧洲诺国以及欧洲标准的不锈钢钢号近似对照

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