高速切削刀具系統
高速切削刀具系統
High speed cutting tool system
作者:楊曉
高速切削的研究歷史可以追溯到20世紀30年代，德國Carl Salomon博士首次提出有關高速切削的概念。Salomon博士的研究突破了傳統切削理論對切削熱的認識，認為切削熱只是在傳統切削速度範圍內與切削速度成單調增函數關係。而當切削速度突破一，及定限度以後，切削溫度不再隨切削速度的增加而增加，反而會隨切削速度的增加而降低與切削速度在較高速度的範圍內成單調減函數。
Salomon博士的研究因第二次世界大戰而中斷。50年代後期，與高速切削有關的各種試驗又開始進行，高速切削的機理開始被科學家們所認識。1979年，德國政府研究技術物資助，德國Darmstadt大學PTW研究所簽線，成立了由大學研究機構、機床製造商、刀具製造商、用戶等多方面共同組成的研究團體，對高速銑削展開了系統的研究。除了高速切削原理外，研究團隊同步研究解決高速銑削中機床、刀具、工藝參數等多方面的應用解決方案，使高速銑削在加工機理尚未得到完全共識的情況下首先在鋁合金加工和硬材料加工等領域得到應用，解決模具、汽車、航空等領域的加工需求，從而取得了巨大的經濟效益。
從目前的試驗看，隨著切削速度的逐步提高，切削時的變形規律發生一些改變。傳統的切削理論，切削變形主要分為3個變形區，及主要發生剪切滑移的第一變形區，與前刀面緊鄰的第二變形區及在已加工表面表層的第三變形區。但在高速條件下，切屑的剪切變形逐漸加劇，剪切區的滑移逐漸加強，即使是塑性材料的切屑型態，也會組建逐漸從帶狀切屑轉變為鋸齒狀切屑，進而有可能進一步轉變為單元狀切屑。
由於在高速切削條件下切屑會由帶狀切屑轉變為單元切屑，切屑與前刀面的摩擦將不再是切削力和切削熱的主要來源之ㄧ，第二變形區的機理變的不那麼明顯;同樣由於切削速度的提高，後刀面處工件材料的彈性變形由於變形速度逐漸跟不上切削速度而減少，後刀面的摩擦也因此而減少，第三變形區也同樣退到了一個不那麼起眼的地位。第二和第三變形區的弱化，對降低切削力和切削熱產生有利影響。因此在高速切削時，主要的切削熱將由切屑導出，而工件和刀具的溫升都非常小，高速切削也被稱為”冷態切削”。
德國高速切削研究團隊認為，高速切削的速度範圍應該是傳統切削速度的5~10倍。而實現高速切削可能涉及機床、刀具、工件、工藝參數等諸多方面的問題。例如就加工方法而言，在鋼件切割中，銑削的切削速度應該在400m/min以上，而如果換成鑽削，200m/min左右的切削速度和1000mm/min以上的進給就將被認為是高速鑽削了。本文主要介紹高速切削的刀具。
刀具與機床的介面
在傳統的鏜銑加工中，我們通常使用的是各種7:24的刀具介面。這些介面的主軸端面與刀具存在間隙，在主軸高速旋轉和切削力的作用下，主軸的大端孔徑膨脹，造成刀具軸向和徑向定位精準下降。同時錐柄的軸向尺寸和重量都較大，不利於快速換刀和機床的小型化。
對於高速加工，我們通常會推薦一種新的被稱為HSK介面標準。HSK是由德國阿亨大學機床研究所專門為高轉速機床開發的新型刀~~機介面，並形成了用於自動換刀和手動換刀、中心冷卻和端面冷卻、普通型和緊湊型等形式。HSK是一種小錐度(1:10)的空心短錐柄，使用時端面和錐面同時接觸從而形成高的接觸剛性。經分析研究，儘管HSK連接在高速旋轉時主軸也同樣會擴張，但仍然能夠保持良好的接觸，轉速對介面的聯接剛性影響不大。
除了HSK刀柄，國際上使用較多的還有Sandvik發明的Capto刀柄和Kennametal發明的KM刀柄，這2種刀柄原來分別由兩個發明者各自擁有專利，通過專利許可授權一些廠家生產，如Capto在山高刀具被命名為Seco Capto，而在瓦爾特被命名為Novex Capto等。但現在，這兩家已先後放棄了專利，這兩種刀柄都已成為與HSK並行的高速刀柄標準。
刀具的平衡
物理學的原理表明，旋轉中質點的離心力與質點的質量、質點與旋轉軸的距離以及旋轉的角速度(或者轉速)的二次方成正比。也就是說，如果轉速增加1倍，離心力將增大到原來的4倍。這就意味著在高的旋轉速度下，刀具的加工精度和壽命都可能受到離心力的嚴重影響。
精密鏜刀製造商日本大昭和公司提供了一系列數據，說明瞭這一問題。他們選擇2把鏜刀進行試驗，其中只有一把精鏜刀預先進行過動平衡。這2把鏜刀在5000r/min時所加工孔的圓度沒有什麼差別，都是1.1μm，這些誤差主要由於機床工具系統的精度造成；而當轉速提高到10000r/min時，情況就明顯不同了。經過平衡的鏜刀所加工出的孔的圓度比5000r/min時略有增加，為1.25μm，而未經平衡的鏜刀所加工出的孔的圓度比5000r/min時增加很多，達到6.30μm，是經過平衡調整的鏜刀的5倍多。
同樣，在銑削中，不平衡的刀具也會引起切削不穩定，致使銑刀各刀齒的負載不均衡，工件局部過切、工件形狀發生變形，表面出現振痕等。
還需要我們引起注意的是，不平衡會導致機床主軸軸承承受力增加。分析研究表明，軸承壽命與載荷的三次方成反比。也就是說，如果軸承受力增加一倍，軸承的壽命將減少到原來的1/8。
因此，對於在高速旋轉下使用的刀具必須使其保持平衡。
按照平衡理論，迴轉體的不平衡可以分為三種：
(1) 靜不平衡
靜不平衡是只有一個不平衡質量且該不平衡質量位於2個支承的正中間，因此其在旋轉中的離心力在2個支承上反作用力的大小和方向均相等。在切削加工中的短懸伸刀具(如盤類刀具)可近似的認為只是靜不平衡。
(2) 偶不平衡
有2個不平衡質量，分佈在對稱於支承中點180°位置，因此其在旋轉中的離心力在2個支承上反作用力的大小相等方向卻相反，形成的是一個力偶。
(3) 動不平衡
有2個或2個以上的不平衡質量，分佈不符合以上的規律，其在旋轉中的離心力在2個支承上反作用力的大小和方向都不一樣。可以這樣認為，動不平衡是靜不平衡和偶不平衡的疊加，桿類刀具大部分都屬於此類不平衡。
不平衡的消除有加重、去重和調整3類方法，刀具的出場預平衡多採用鑽孔去重的方法。及再經平衡機測量並計算得到的位置鑽一個指定大小和深度的孔，已使刀具在該位置截面上得到靜平衡，或者在2個位置上各鑽一個孔以實現動平衡。
可轉位刀具由於更換刀片和配件後會產生新的微量不平衡，整體刀具再裝入刀柄後也會在整體上形成某種微量不平衡，我們經常會使用調整法來去除不平衡量已達到平衡目的。調整法主要有3種方式：
(1) 平衡調整環。高速加工中安裝整體刀具使用的刀柄主要採用這種方式，通常在刀柄上具有2個平衡調整環。通過分別旋轉平衡調整環，可以產生一個合力和一個平衡力矩，從而實現動平衡。
(2) 平衡調整螺釘。盤類刀具可以採用這種方式，這種方法通常通過在1個(或2個)截面內對2個螺釘進行徑向移動來改變該截面內的質心位置，從而達到平衡調整的目的。
(3) 平衡調整塊。大尺寸的單刃刀具(如擔任鏜刀)通常會設置一個平衡調整塊。該調整塊與單刃刀頭處於同一截面，徑向可以移動。通過該調整塊的移動來達到平衡。
減少刀具不平衡的方法，除了上述平衡方法以外，減少刀具的重量也是一個有效的方法。例如瓦爾特用於鋁合金高速切削的刀具。該刀具的刀體採用高強度的鋁合金製造。由於鋁的密度僅為鋼的34.6%，同樣製造精度下的離心力也就大大的減少了。以直徑200mm的銑刀為例，相對於相同直徑鋼刀體銑刀，刀具的重量由9.8kg減少到3.7kg，允許使用的最高轉速也從4200r/min提高到13200r/min。
對於在高速切削條件下使用的刀具，盤類刀具由於軸向尺寸相對較小，一般可以只進行靜平衡；而桿類刀具的懸伸較長，其質量軸線與旋轉軸線之間可能存在的夾角就不能被忽略，因此必須進行動平衡。必須明確的是，只有在2個或2個以上截面中進行的平衡調整才可能是動平衡，而在一個截面內進行的平衡都應是靜平衡。肯納金屬的ROMICRON鏜刀就具有兩個調整環，可以方便的在2個不同截面上進行平衡操作以達到動態平衡的目的。
就一般規律而言，中心對稱的結構的更適合高速加工。中心不對稱的三齒結構，三齒中僅一齒過中心，該刀具一般不合適作為高速切削刀具；中心對稱的兩齒結構，其2個刀齒均過中心，就比較合適高速切削。同樣，帶削平的圓柱刀柄由於削平去除了刀具一側的部份材料，也造成了刀具的不平衡，對於高速切削也是不利的。加上其通常使用螺釘從側面壓緊，使刀柄上安裝孔與刀具柄部的間隙在夾緊過程中變為不對稱間隙，安裝後的不平衡可能被加劇，更不合適用於高速切削。因此在高速切削的刀具選擇過程中要充分考慮其結構的影響，避免刀具結構在原理上就不平衡。因為通常通過調整所能去除的不平衡量相當有限，而原理上的不平衡往往遠遠超出刀柄調整所能消除的不平衡的範圍。
我們認為刀具供應商應對自己提供的刀具能否用於高速切削做出明示。現在，許多歐美刀具商已經在其樣本等宣傳資料上標明了表示適用於高速切削的符號”HSC”或適用於高速加工的符號”HSM”，因此，一般沒有標註這類符號的就表示不適合高速切削。
安全性
由於高速切削通常會需要較高的轉速，由此使刀具在巨大離心力作用下發生破碎、解體的可能性大大增加。
山東大學在使用國內某知名廠商生產的直徑100mm的面銑刀進行切削試驗時，在轉速增加到5000r/min時，僅有的一個刀片在離心力超過鍥塊磨擦力的情況下飛離了刀體，擊打在機床的防護鋼板上。而蘇州的一個用戶則比較不幸，他們的刀具破碎後，碎片擊中了機床的防彈玻璃，結果是玻璃被完全擊碎。
那麼，高速加工的刀具為什麼會有如此大的破壞能力呢？以下有簡要分析：如果一個直徑40mm的可轉位銑刀以40000r/min地轉速進行加工，其線速度為5024m/min(即83.7m/s)以刀片重量0.015kg計算，其動量微1.26kg‧m/s。這一結果與一著名的微聲手槍子彈的出膛動量相當(該手槍子彈彈頭重量約為0.005kg，出膛初速度為230m/s，因此動量為1.20kg‧m/s)。
刀片式銑刀的結構與安全性有很大關係。山東大學在使用的刀片飛出的銑刀，是國內普遍採用的鍥塊時夾緊方式。這種夾緊方式完全依靠磨擦力來抵抗離心力，刀片比較容易飛出。如果我們對銑刀結構進行改進，如採用螺釘夾緊方式的刀具則需要剪斷螺釘(臥裝刀片銑刀)或拉斷螺釘(立裝刀片銑刀)才會導致刀片飛出，安全性大大提高。研究表明，用螺釘夾緊的銑刀隨著轉速的逐漸提高，螺釘會在離心力作用下被拉長，刀體也會發生輕微的膨脹。大約在30000~35000r/min時以達臨界應力而出現永久性的拉伸變型，而在達到臨界速度之前，螺釘已經出現彎曲現象，造成夾緊力下降，刀片也隨之發生位移。
因此，我們必須充分注意高速加工刀具的安全性問題，杜絕在高速切削時發生安全事故。德國高速切削工作組就此提出的高速加工刀具安全性技術規範早已備建議成為德國標準和國際標準。該規範規定：對於刀片式的刀具，生產商必須保證在1.6倍於最大使用轉速(np=1.6nmax)下試驗，刀具的永久變形或零件的位移不超過0.05mm，而在2倍於最大使用轉速(np=2nmax)下試驗，刀具不發生爆碎；對於整體式刀具，則應在np=2nmax條件下試驗而不發生彎曲或斷裂。同時要求刀具生產商必須對可用於高速切削的刀具明示其最大使用轉速。在此條件下使用刀具的安全性將得到充分的安全保證。當然，對於非高速切削刀具，則不需要做如此要求。因此我們在選用高速切削工具時，應嚴格按照生產商提供的核定最高轉速規定內使用。但由於國內尚無高速切削刀具的安全性標準，我們在選用時需要更加慎重。
對於高速切削的刀具，我們應採取一定措施來保證其安全性。比如，瓦爾特要求對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，刀片安裝時保證規定扭矩；同時在刀片更換5次後，使用新的刀片鎖緊螺釘以防止螺釘因疲勞造成夾緊力下降，影響刀具的安全使用。
同樣，刀具生產商也應該採取措施來加強刀具在高速加工中的安全性。國外一些著名的刀具生產商進年來在刀片式刀具的開發中紛紛採用了技術措施來加強刀具的安全性，刀片與刀體間增加離心力卸載結構就是其中之ㄧ，刀體上有一個突起，刀片的相應位置上則有一個凹坑，刀片的離心力可由刀片與刀體間的摩擦力、螺釘的支承力和離心力卸載結構的支承力共同承擔，這樣抵禦刀片飛出的能力就得到了加強。
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，又有高的韌性來防止刀具的碎裂，但目前的技術發展還沒有找到如此優越性能的刀具材料，魚與熊掌難以兼得。因此，我們會在實際中按照需要選用更合適的刀具材料：粗加工時優先考慮刀具材料的韌性，精加工時優先考慮刀具材料的硬度。
近年來鍍層技術的發展，使細顆粒硬質合金在保持其較高韌性的同時，提高了其抗高溫和抗衝擊載荷的能力，為高速切削應用更經濟的刀具提供了技術保證。
金剛石，立方氮化硼和陶瓷的技術由來已久，他們共同的特點是硬度高、脆性較大，不宜承受較大的衝擊。
陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，適於加工50~65HRC的高硬度材料，如冷硬鑄鐵和淬硬鋼。陶瓷中的氮化硅(Si3N4)陶瓷強度和斷裂韌性較高，熱脹係數低，彈性模量也低，故其抗熱震性能高，適於加工鑄鐵。近年來，在提高陶瓷刀具的力學性能上做了大量卓有成效的研究工作，如採用熱壓和熱等靜壓工藝，加入各種增韌補強相，使陶瓷刀具的弱點得到改善，性能有了很大提高。如南京航空航天大學機電學院在使用肯納金屬的須晶增韌賽龍陶瓷KY2100銑削著名的南加工材料Incone1718時，切削速度達到了近1000m/min。用這樣的切削速度來加工Incone1718，在過去是很難想像的。
從組織上來看，立方氮化硼(CBN)刀坯大致有兩種，一種是CBN質量80%~90%，被稱為高含量，據介紹以CBN晶粒之間直接結合為主，具有高硬度、高導熱性，適於加工鎳鉻鑄鐵、粗和半粗斷續切削淬硬鋼、高速切削鑄鐵、硬質合金、燒結金屬和重合金等。另一種是低CBN含量的PCBN，他是用少量金屬或陶瓷黏結相牢固的結合起來的，有較好的強度和韌性，適於精加工45~65HRC的淬硬鋼。但CBN不宜加工以鐵素體和45HRC以下的鋼及合金鋼、合金鑄鐵、耐熱合金，特別不宜於加工35HRC以下的工件。
金剛石刀具是目前高速切削(2500~5000m/min)鋁合金較理想的刀具材料，但由於碳對鐵的親和作用，特別是在高溫下，金剛石能與鐵發生化學反應，因此它不適於切削鐵及其合金工件。
END.
資料來源：金屬加工世界 2010/05 P267~P273
http://www.ijaui.com.tw/
High speed cutting tool system
作者:楊曉
高速切削的研究歷史可以追溯到20世紀30年代，德國Carl Salomon博士首次提出有關高速切削的概念。Salomon博士的研究突破了傳統切削理論對切削熱的認識，認為切削熱只是在傳統切削速度範圍內與切削速度成單調增函數關係。而當切削速度突破一，及定限度以後，切削溫度不再隨切削速度的增加而增加，反而會隨切削速度的增加而降低與切削速度在較高速度的範圍內成單調減函數。
Salomon博士的研究因第二次世界大戰而中斷。50年代後期，與高速切削有關的各種試驗又開始進行，高速切削的機理開始被科學家們所認識。1979年，德國政府研究技術物資助，德國Darmstadt大學PTW研究所簽線，成立了由大學研究機構、機床製造商、刀具製造商、用戶等多方面共同組成的研究團體，對高速銑削展開了系統的研究。除了高速切削原理外，研究團隊同步研究解決高速銑削中機床、刀具、工藝參數等多方面的應用解決方案，使高速銑削在加工機理尚未得到完全共識的情況下首先在鋁合金加工和硬材料加工等領域得到應用，解決模具、汽車、航空等領域的加工需求，從而取得了巨大的經濟效益。
從目前的試驗看，隨著切削速度的逐步提高，切削時的變形規律發生一些改變。傳統的切削理論，切削變形主要分為3個變形區，及主要發生剪切滑移的第一變形區，與前刀面緊鄰的第二變形區及在已加工表面表層的第三變形區。但在高速條件下，切屑的剪切變形逐漸加劇，剪切區的滑移逐漸加強，即使是塑性材料的切屑型態，也會組建逐漸從帶狀切屑轉變為鋸齒狀切屑，進而有可能進一步轉變為單元狀切屑。
由於在高速切削條件下切屑會由帶狀切屑轉變為單元切屑，切屑與前刀面的摩擦將不再是切削力和切削熱的主要來源之ㄧ，第二變形區的機理變的不那麼明顯;同樣由於切削速度的提高，後刀面處工件材料的彈性變形由於變形速度逐漸跟不上切削速度而減少，後刀面的摩擦也因此而減少，第三變形區也同樣退到了一個不那麼起眼的地位。第二和第三變形區的弱化，對降低切削力和切削熱產生有利影響。因此在高速切削時，主要的切削熱將由切屑導出，而工件和刀具的溫升都非常小，高速切削也被稱為”冷態切削”。
德國高速切削研究團隊認為，高速切削的速度範圍應該是傳統切削速度的5~10倍。而實現高速切削可能涉及機床、刀具、工件、工藝參數等諸多方面的問題。例如就加工方法而言，在鋼件切割中，銑削的切削速度應該在400m/min以上，而如果換成鑽削，200m/min左右的切削速度和1000mm/min以上的進給就將被認為是高速鑽削了。本文主要介紹高速切削的刀具。
刀具與機床的介面
在傳統的鏜銑加工中，我們通常使用的是各種7:24的刀具介面。這些介面的主軸端面與刀具存在間隙，在主軸高速旋轉和切削力的作用下，主軸的大端孔徑膨脹，造成刀具軸向和徑向定位精準下降。同時錐柄的軸向尺寸和重量都較大，不利於快速換刀和機床的小型化。
對於高速加工，我們通常會推薦一種新的被稱為HSK介面標準。HSK是由德國阿亨大學機床研究所專門為高轉速機床開發的新型刀~~機介面，並形成了用於自動換刀和手動換刀、中心冷卻和端面冷卻、普通型和緊湊型等形式。HSK是一種小錐度(1:10)的空心短錐柄，使用時端面和錐面同時接觸從而形成高的接觸剛性。經分析研究，儘管HSK連接在高速旋轉時主軸也同樣會擴張，但仍然能夠保持良好的接觸，轉速對介面的聯接剛性影響不大。
除了HSK刀柄，國際上使用較多的還有Sandvik發明的Capto刀柄和Kennametal發明的KM刀柄，這2種刀柄原來分別由兩個發明者各自擁有專利，通過專利許可授權一些廠家生產，如Capto在山高刀具被命名為Seco Capto，而在瓦爾特被命名為Novex Capto等。但現在，這兩家已先後放棄了專利，這兩種刀柄都已成為與HSK並行的高速刀柄標準。
刀具的平衡
物理學的原理表明，旋轉中質點的離心力與質點的質量、質點與旋轉軸的距離以及旋轉的角速度(或者轉速)的二次方成正比。也就是說，如果轉速增加1倍，離心力將增大到原來的4倍。這就意味著在高的旋轉速度下，刀具的加工精度和壽命都可能受到離心力的嚴重影響。
精密鏜刀製造商日本大昭和公司提供了一系列數據，說明瞭這一問題。他們選擇2把鏜刀進行試驗，其中只有一把精鏜刀預先進行過動平衡。這2把鏜刀在5000r/min時所加工孔的圓度沒有什麼差別，都是1.1μm，這些誤差主要由於機床工具系統的精度造成；而當轉速提高到10000r/min時，情況就明顯不同了。經過平衡的鏜刀所加工出的孔的圓度比5000r/min時略有增加，為1.25μm，而未經平衡的鏜刀所加工出的孔的圓度比5000r/min時增加很多，達到6.30μm，是經過平衡調整的鏜刀的5倍多。
同樣，在銑削中，不平衡的刀具也會引起切削不穩定，致使銑刀各刀齒的負載不均衡，工件局部過切、工件形狀發生變形，表面出現振痕等。
還需要我們引起注意的是，不平衡會導致機床主軸軸承承受力增加。分析研究表明，軸承壽命與載荷的三次方成反比。也就是說，如果軸承受力增加一倍，軸承的壽命將減少到原來的1/8。
因此，對於在高速旋轉下使用的刀具必須使其保持平衡。
按照平衡理論，迴轉體的不平衡可以分為三種：
(1) 靜不平衡
靜不平衡是只有一個不平衡質量且該不平衡質量位於2個支承的正中間，因此其在旋轉中的離心力在2個支承上反作用力的大小和方向均相等。在切削加工中的短懸伸刀具(如盤類刀具)可近似的認為只是靜不平衡。
(2) 偶不平衡
有2個不平衡質量，分佈在對稱於支承中點180°位置，因此其在旋轉中的離心力在2個支承上反作用力的大小相等方向卻相反，形成的是一個力偶。
(3) 動不平衡
有2個或2個以上的不平衡質量，分佈不符合以上的規律，其在旋轉中的離心力在2個支承上反作用力的大小和方向都不一樣。可以這樣認為，動不平衡是靜不平衡和偶不平衡的疊加，桿類刀具大部分都屬於此類不平衡。
不平衡的消除有加重、去重和調整3類方法，刀具的出場預平衡多採用鑽孔去重的方法。及再經平衡機測量並計算得到的位置鑽一個指定大小和深度的孔，已使刀具在該位置截面上得到靜平衡，或者在2個位置上各鑽一個孔以實現動平衡。
可轉位刀具由於更換刀片和配件後會產生新的微量不平衡，整體刀具再裝入刀柄後也會在整體上形成某種微量不平衡，我們經常會使用調整法來去除不平衡量已達到平衡目的。調整法主要有3種方式：
(1) 平衡調整環。高速加工中安裝整體刀具使用的刀柄主要採用這種方式，通常在刀柄上具有2個平衡調整環。通過分別旋轉平衡調整環，可以產生一個合力和一個平衡力矩，從而實現動平衡。
(2) 平衡調整螺釘。盤類刀具可以採用這種方式，這種方法通常通過在1個(或2個)截面內對2個螺釘進行徑向移動來改變該截面內的質心位置，從而達到平衡調整的目的。
(3) 平衡調整塊。大尺寸的單刃刀具(如擔任鏜刀)通常會設置一個平衡調整塊。該調整塊與單刃刀頭處於同一截面，徑向可以移動。通過該調整塊的移動來達到平衡。
減少刀具不平衡的方法，除了上述平衡方法以外，減少刀具的重量也是一個有效的方法。例如瓦爾特用於鋁合金高速切削的刀具。該刀具的刀體採用高強度的鋁合金製造。由於鋁的密度僅為鋼的34.6%，同樣製造精度下的離心力也就大大的減少了。以直徑200mm的銑刀為例，相對於相同直徑鋼刀體銑刀，刀具的重量由9.8kg減少到3.7kg，允許使用的最高轉速也從4200r/min提高到13200r/min。
對於在高速切削條件下使用的刀具，盤類刀具由於軸向尺寸相對較小，一般可以只進行靜平衡；而桿類刀具的懸伸較長，其質量軸線與旋轉軸線之間可能存在的夾角就不能被忽略，因此必須進行動平衡。必須明確的是，只有在2個或2個以上截面中進行的平衡調整才可能是動平衡，而在一個截面內進行的平衡都應是靜平衡。肯納金屬的ROMICRON鏜刀就具有兩個調整環，可以方便的在2個不同截面上進行平衡操作以達到動態平衡的目的。
就一般規律而言，中心對稱的結構的更適合高速加工。中心不對稱的三齒結構，三齒中僅一齒過中心，該刀具一般不合適作為高速切削刀具；中心對稱的兩齒結構，其2個刀齒均過中心，就比較合適高速切削。同樣，帶削平的圓柱刀柄由於削平去除了刀具一側的部份材料，也造成了刀具的不平衡，對於高速切削也是不利的。加上其通常使用螺釘從側面壓緊，使刀柄上安裝孔與刀具柄部的間隙在夾緊過程中變為不對稱間隙，安裝後的不平衡可能被加劇，更不合適用於高速切削。因此在高速切削的刀具選擇過程中要充分考慮其結構的影響，避免刀具結構在原理上就不平衡。因為通常通過調整所能去除的不平衡量相當有限，而原理上的不平衡往往遠遠超出刀柄調整所能消除的不平衡的範圍。
我們認為刀具供應商應對自己提供的刀具能否用於高速切削做出明示。現在，許多歐美刀具商已經在其樣本等宣傳資料上標明了表示適用於高速切削的符號”HSC”或適用於高速加工的符號”HSM”，因此，一般沒有標註這類符號的就表示不適合高速切削。
安全性
由於高速切削通常會需要較高的轉速，由此使刀具在巨大離心力作用下發生破碎、解體的可能性大大增加。
山東大學在使用國內某知名廠商生產的直徑100mm的面銑刀進行切削試驗時，在轉速增加到5000r/min時，僅有的一個刀片在離心力超過鍥塊磨擦力的情況下飛離了刀體，擊打在機床的防護鋼板上。而蘇州的一個用戶則比較不幸，他們的刀具破碎後，碎片擊中了機床的防彈玻璃，結果是玻璃被完全擊碎。
那麼，高速加工的刀具為什麼會有如此大的破壞能力呢？以下有簡要分析：如果一個直徑40mm的可轉位銑刀以40000r/min地轉速進行加工，其線速度為5024m/min(即83.7m/s)以刀片重量0.015kg計算，其動量微1.26kg‧m/s。這一結果與一著名的微聲手槍子彈的出膛動量相當(該手槍子彈彈頭重量約為0.005kg，出膛初速度為230m/s，因此動量為1.20kg‧m/s)。
刀片式銑刀的結構與安全性有很大關係。山東大學在使用的刀片飛出的銑刀，是國內普遍採用的鍥塊時夾緊方式。這種夾緊方式完全依靠磨擦力來抵抗離心力，刀片比較容易飛出。如果我們對銑刀結構進行改進，如採用螺釘夾緊方式的刀具則需要剪斷螺釘(臥裝刀片銑刀)或拉斷螺釘(立裝刀片銑刀)才會導致刀片飛出，安全性大大提高。研究表明，用螺釘夾緊的銑刀隨著轉速的逐漸提高，螺釘會在離心力作用下被拉長，刀體也會發生輕微的膨脹。大約在30000~35000r/min時以達臨界應力而出現永久性的拉伸變型，而在達到臨界速度之前，螺釘已經出現彎曲現象，造成夾緊力下降，刀片也隨之發生位移。
因此，我們必須充分注意高速加工刀具的安全性問題，杜絕在高速切削時發生安全事故。德國高速切削工作組就此提出的高速加工刀具安全性技術規範早已備建議成為德國標準和國際標準。該規範規定：對於刀片式的刀具，生產商必須保證在1.6倍於最大使用轉速(np=1.6nmax)下試驗，刀具的永久變形或零件的位移不超過0.05mm，而在2倍於最大使用轉速(np=2nmax)下試驗，刀具不發生爆碎；對於整體式刀具，則應在np=2nmax條件下試驗而不發生彎曲或斷裂。同時要求刀具生產商必須對可用於高速切削的刀具明示其最大使用轉速。在此條件下使用刀具的安全性將得到充分的安全保證。當然，對於非高速切削刀具，則不需要做如此要求。因此我們在選用高速切削工具時，應嚴格按照生產商提供的核定最高轉速規定內使用。但由於國內尚無高速切削刀具的安全性標準，我們在選用時需要更加慎重。
對於高速切削的刀具，我們應採取一定措施來保證其安全性。比如，瓦爾特要求對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，刀片安裝時保證規定扭矩；同時在刀片更換5次後，使用新的刀片鎖緊螺釘以防止螺釘因疲勞造成夾緊力下降，影響刀具的安全使用。
同樣，刀具生產商也應該採取措施來加強刀具在高速加工中的安全性。國外一些著名的刀具生產商進年來在刀片式刀具的開發中紛紛採用了技術措施來加強刀具的安全性，刀片與刀體間增加離心力卸載結構就是其中之ㄧ，刀體上有一個突起，刀片的相應位置上則有一個凹坑，刀片的離心力可由刀片與刀體間的摩擦力、螺釘的支承力和離心力卸載結構的支承力共同承擔，這樣抵禦刀片飛出的能力就得到了加強。
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，又有高的韌性來防止刀具的碎裂，但目前的技術發展還沒有找到如此優越性能的刀具材料，魚與熊掌難以兼得。因此，我們會在實際中按照需要選用更合適的刀具材料：粗加工時優先考慮刀具材料的韌性，精加工時優先考慮刀具材料的硬度。
近年來鍍層技術的發展，使細顆粒硬質合金在保持其較高韌性的同時，提高了其抗高溫和抗衝擊載荷的能力，為高速切削應用更經濟的刀具提供了技術保證。
金剛石，立方氮化硼和陶瓷的技術由來已久，他們共同的特點是硬度高、脆性較大，不宜承受較大的衝擊。
陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，適於加工50~65HRC的高硬度材料，如冷硬鑄鐵和淬硬鋼。陶瓷中的氮化硅(Si3N4)陶瓷強度和斷裂韌性較高，熱脹係數低，彈性模量也低，故其抗熱震性能高，適於加工鑄鐵。近年來，在提高陶瓷刀具的力學性能上做了大量卓有成效的研究工作，如採用熱壓和熱等靜壓工藝，加入各種增韌補強相，使陶瓷刀具的弱點得到改善，性能有了很大提高。如南京航空航天大學機電學院在使用肯納金屬的須晶增韌賽龍陶瓷KY2100銑削著名的南加工材料Incone1718時，切削速度達到了近1000m/min。用這樣的切削速度來加工Incone1718，在過去是很難想像的。
從組織上來看，立方氮化硼(CBN)刀坯大致有兩種，一種是CBN質量80%~90%，被稱為高含量，據介紹以CBN晶粒之間直接結合為主，具有高硬度、高導熱性，適於加工鎳鉻鑄鐵、粗和半粗斷續切削淬硬鋼、高速切削鑄鐵、硬質合金、燒結金屬和重合金等。另一種是低CBN含量的PCBN，他是用少量金屬或陶瓷黏結相牢固的結合起來的，有較好的強度和韌性，適於精加工45~65HRC的淬硬鋼。但CBN不宜加工以鐵素體和45HRC以下的鋼及合金鋼、合金鑄鐵、耐熱合金，特別不宜於加工35HRC以下的工件。
金剛石刀具是目前高速切削(2500~5000m/min)鋁合金較理想的刀具材料，但由於碳對鐵的親和作用，特別是在高溫下，金剛石能與鐵發生化學反應，因此它不適於切削鐵及其合金工件。
END.
資料來源：金屬加工世界 2010/05 P267~P273
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