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現代機械加工對刀具的要求

發布日期:2015-10-15 09:44:26

 在許多猜想、預測、希望中,時代終于跨入了21世紀。21世紀的社會、產業結構將向著循環經濟型、節省能源型、高度信息型迅速變化發展。這就將會對機械加工提出更高的要求。也就意味著加工機器、加工工具也將迅速走向高精度化、高效率化,實現高度信息化、智能化,從而適應社會的保護環境、節省能源的要求。

   

    作為加工主體的加工機器,隨著機械要素及NC技術的發展高速、高精度化得到迅速地普及。這是因為高速加工不但可以提高加工效率、降低成本,而且可以提高加工精度,適應以前作為難題的淬火鋼等難削材料的加工。在刃具方面,硬質合金刃具越來越普及,并且適合高速加工的CBN、金剛石刃具,DLC涂層等也不斷被開發使用。而刀具裝在加工機器與刃具之間,起著保持刃具的作用。所以高速加工不但要求刃具自身具有良好的剛性、柔性、動平衡性及操作性,同時對在與機器主軸連接時的剛性和連接精度、在保持刃具時的把持力和把持精度及其它各方面都提出了嚴格的要求。以下本文就高速、高精度加工時刀具應該具備的條件作一些具體的分析。

   

    兩面定位系統

   

    首先是刀具與主軸間的連接問題,也就是主軸系統。現在市場上最多的仍是7/24的主軸系統。包括ISO、DIN、BT等都屬于此類。但如前所述,隨著機械加工的高速化的發展,這種系統出現了許多的問題:

   

    剛性不足-刀柄的法蘭面與主軸端面間有間隙

   

    ATC的重復精度不穩定-每次自動換刀后,刀具的徑向尺寸都可能發生變化。

   

    軸向尺寸不穩定-主軸轉動時因受離心力的作用而內孔增大,刀具的軸向尺寸發生變化

   

    刀柄錐部較長-不利于快速換刀及機器的小型化針對這些問題,一些刀具廠家及研究機構開發了兩面定位的主軸系統。也就是使刀柄與主軸內孔錐面、端面同時貼緊的一種新的連接方式。其中有代表性的是日本大昭和精機(BIG)的BIG-PLUS系統(圖1)和德國標準的HSK系統

   

    BIG-PLUS系統的錐度仍是7/24,其設計原理是

   

    將刀柄裝入主軸時(鎖緊前)端面間的間隙減小(#40:0.2mm±0.005)。

   

    鎖緊后利用主軸內孔的彈性膨脹補償此間隙,使刀柄與主軸端面貼緊。

   

    這樣產生的效果是:

   

    與主軸的接觸面積增大-剛性增強、振動衰減效果提高。

   

    ATC的重復精度提高-端面的矯正作用。

   

    軸向尺寸穩定-顯示端面的定位作用。

   

    因為BIG-PLUS系統的錐度仍是7/24,鎖緊機構也一樣,所以它和一般的系統(非兩面定位)之間有互換性。這也是BIG-PLUS系統能得到迅速普及的一個原因。

   

    HSK系統的錐度是1/10,刀柄中空、短柄。它的原理也是利用鎖緊力及用主軸內孔的彈性膨脹補償初期端面的間隙。只是因為它是中空刀柄,自身有較大的彈性變形,可能因為主軸內孔的膨脹而刀柄本身也膨脹,所以它對制造時的公差精度的要求相對較松。另外由于它的質量小、柄部短,所以有利于高速ATC及機器的小型化。但也正因為它是中空短柄,所以剛性、強度要受到一定程度的影響。

   

    無論如何,兩面定位系統彌補了普通系統的許多不足,必將成為刀具系統的主流.

   

    刀具自身的剛性與動平衡性

   

    刀具的剛性一直是機械加工中被重視的主要問題之一。剛性不足會引起刀具的振動或發生刀具傾斜,影響加工精度、加工效率。并且因為刀具的振動會加快刃具的磨損,甚至影響刀具及機器的壽命。如果將刀柄桿部近似成一實心圓柱剛體,那它的剛性與截面直徑的4次方成正比,與柱長的3次方成反比。也就是說,一把刀柄在它的質量限定后,當然越粗越短剛性便越強。

   

    除此以外,還可以通過改變其自身結構來增強剛性。比如一般的銑刀夾頭雖然其鎖緊螺母很粗,但螺母底部與刀柄本體之間總有間隙,使剛性損失很多。高速加工對刀具的動平衡性也提出很高的要求。這是因為動平衡性不好的刀具在高速轉動時受很大的離心力的作用(與不平衡力矩及轉速的平方成正比),刀桿發生彎曲并容易引起振動。彈簧夾頭、銑刀刀柄可以通過平衡修正來解決這個問題。但是如一般帶微調機構的精鏜頭,在調節加工直徑時鏜頭的重心也在改變,所以就無法通過平衡修正來取得動平衡。

   

    最近,日本大昭和精機推出了一種可以進行自動平衡補償的鏜頭。其原理如圖3所示,在鏜頭內部安裝了一個小齒輪和一個平衡塊,在調節直徑、使套管軸向外移動時,平衡塊將通過小齒輪的作用向相反方向移動,從而保持重心位置不變。

   

    把持力和把持精度

   

    特別是在立銑刀的加工時把持力尤為重要。因為立銑刀的刀刃都帶有螺旋角,所以加工時切削力在軸向的分力就很大。把持力不足就可能會使刃具(立銑刀)被拉出,影響加工精度,甚至損壞刃具及工件。增強刀柄把持力的方法主要是通過嚴格控制內孔的公差、保證足夠的把持長度并合理地選材、設計盡量有效地將鎖緊力轉換成徑向的把持力。

   

    高速加工的深入將意味著硬質合金的刃具將取代高速鋼刃具。這樣刀具的把持精度便成為一個重要的課題。想象一下用三爪鉆夾頭夾持硬質合金的鉆頭進行20,000r/min加工的情景:鉆頭折斷、工件報廢、生產中斷……

   

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