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| 高性能數(shù)控機床刀具夾頭的研究 | | 發(fā)布者：admin 日期：2012/12/18 點擊：480 | | | 對于高速加工而言，沈陽第一機床廠刀具夾頭對于生產(chǎn)的可靠性、加工精度和總成本效應的影響尤其重要。刀具夾頭必須是平穩(wěn)或者易于平穩(wěn)的，必須具有足夠的夾緊力，必須足以應對車間的生產(chǎn)以及各式各樣的切削刀具。
當要以15000r/min以上的主軸轉(zhuǎn)速進行高速加工時，人們可能就會發(fā)現(xiàn)，需要面對更多的問題：不平衡、振動帶來的影響以及徑向跳動量擴大等，這些都是導致刀具壽命縮短、產(chǎn)生不良表面質(zhì)量、造成主軸故障的潛在因素。刀具夾頭選擇錯誤，對于用戶來說無疑意味著自找麻煩。
現(xiàn)在，人們不得不面對機床轉(zhuǎn)速不斷提高的這一事實。沈陽第一機床廠特別是汽車輕量化的需要，使鋁合金材質(zhì)工件的高速加工應用更加廣泛。高速加工帶來的高產(chǎn)量，也讓發(fā)動機機體、動力驅(qū)動系統(tǒng)部件以及沖模和鑄模的制造商們受益匪淺。與此同時，高速加工還使輕量化制造變?yōu)楝F(xiàn)實，并且更為可靠。
對于高速加工而言，刀具夾頭對于生產(chǎn)的可靠性、加工精度和總成本效應的影響尤其重要。刀具夾頭必須是平穩(wěn)或者易于平穩(wěn)的，必須具有足夠的夾緊力，必須足以應對車間的生產(chǎn)以及各式各樣的切削刀具。
刀具夾持技術(shù)的最新趨勢是采用熱縮式夾緊結(jié)構(gòu)，裝夾時利用感應或熱風加熱使刀桿孔膨脹，進行刀具的更換，然后采用風冷使刀具冷卻到室溫，利用刀桿孔與刀具外徑的過盈配合實現(xiàn)夾緊，這種結(jié)構(gòu)使刀具在高轉(zhuǎn)速下仍能保持可靠的夾緊性能，特別適用于更高轉(zhuǎn)速的高速銑削加工。
該系統(tǒng)的設計理念對高速加工來說似乎令人信服。由于其對稱性和沒有移動部件(如螺釘)，它們具有固有的平衡性，徑向跳動為2.5～5.0mm之間或更小，且能提供相當大的夾緊力。據(jù) 公司的估計，當鏜桿以75kw的功率旋轉(zhuǎn)刀具時，熱縮式刀具夾頭可提供給錐柄的夾緊力平均為44.5kN。該公司聲稱，其夾緊能力高于機械或液壓卡爪的夾緊力5倍以上。
然而，熱縮式刀夾的使用推廣卻十分緩慢，沈陽第一機床廠分析其原因可能存在以下幾點：首先，采用熱脹冷縮原理的裝夾理念尚不為人們廣泛接受。有些人對不使用固定螺釘或卡爪來夾緊物件的方式缺乏感性認識，再加上收縮性錐柄必須有與之相匹配的專有錐柄直徑，因此，對尺寸各異的刀具來說，使用時好象并不十分靈活。然而，在大批量的汽車部件生產(chǎn)中，這還算不上是什么主要問題，因為，通常人們使用的錐柄都是標準的。盡管可以縮短換刀時間，這個過程所需要的時間甚至低于30秒，但由于存在加熱和冷卻的過程，仍有某些人對此持否定態(tài)度。
此外，成本問題也是人們所需要考慮的。采用熱縮式夾緊結(jié)構(gòu)的刀具夾頭成本要比其他刀具夾頭高出大約30%，而且還需要配備一套感應加熱機，其成本從幾千美元到1萬美元以上不等。但所有接觸過熱縮式刀具夾頭的用戶都認為，熱縮式刀具夾頭在實踐中的表現(xiàn)證明，它們確實具有充分的合理性，無論高速加工還是低速加工其優(yōu)勢都顯而易見。這一點可通過與采用液壓夾緊原理或其他機械方式的刀具夾頭進行比較即可看出。這些優(yōu)勢最終體現(xiàn)在切削刀具壽命和高速加工生產(chǎn)力的提高上，加快的進給率和較低的刀具消耗補償了使用熱縮式刀具夾頭所帶來的成本。
從長遠利益來看，沈陽第一機床廠如果一個工廠每月要在購買刀具上投入大量資金的話，使用熱縮式刀具夾頭能夠有效地為其降低制造成本。AisinDrivetrain公司在其傳動箱的生產(chǎn)中進行了熱縮式刀夾的測試，轉(zhuǎn)速和進給率提高達20%～30%，生產(chǎn)力提高到400%，PCD刀具壽命提高了3倍。在節(jié)省了昂貴的刀具投入成本的同時，也向人們證明了熱縮式夾緊結(jié)構(gòu)的合理性。
與此同時，彈簧夾頭對于高轉(zhuǎn)速的追求也一直沒有停歇。作為最流行的刀具夾頭，它們依靠純機械界面夾緊刀具，適合大范圍的椎柄長度和直徑，能夠為用戶提供高度的適用性和柔性。目前，至少有若干供應商有能力提供適用于高速加工的彈簧夾頭。
彈簧夾頭有著諸多實用優(yōu)勢。很多用戶表示，他們更喜歡不需要加熱的夾緊方式，這樣，一般操作者使用起來會比較安全。彈簧夾頭在Z軸向上允許更多的刀具預調(diào)整。而對于熱縮式刀具夾頭來說，要達到這一點需要配備專用預調(diào)儀器。尤其是汽車制造業(yè)的廣大用戶，他們更加偏愛具有Z軸向的預調(diào)能力，這樣能夠方便地更換刀具。
彈簧夾頭柔性十足。當更換一把帶不同直徑錐柄的刀具時，只須更換夾套而不是整個刀具夾頭。但柔性的代價是夾持特定的刀具時會缺乏剛性，這會導致刀片磨損較大，因而需較頻繁地更換刀具。
Rego-Fix公司聲稱其有一套強力夾緊系統(tǒng)能夠與熱縮式刀夾相媲美。該公司于2004年推出的powRgrip強力夾持系統(tǒng)，可以通過在夾套和刀柄之間的極度界面配合產(chǎn)生很大的夾緊力。多次刀具更換表明該系統(tǒng)表現(xiàn)良好，據(jù)說該系統(tǒng)已經(jīng)通過超過20000次的刀具插入和卸下的測試記錄�？ūP上的唯一磨損件為夾套，而夾套是相對比較便宜的配件。同熱縮夾頭系統(tǒng)類似，powRgrip也需要一套刀具插入機構(gòu)。該機構(gòu)是一臺式迷你型壓力機，可產(chǎn)生6t的壓力，刀具插入或卸下大約需要15秒鐘。
Lyndex-Nikken公司也提供高速加工用的彈簧夾頭系統(tǒng)。沈陽機床配件據(jù)說，其VC型刀夾特別適用于模具的修整，在40000r/min的高速下運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，在4×D處徑向跳動量僅為3mm。此外，該刀夾不需要使用工具或夾具拆裝夾頭。據(jù)Lyndex-Nikken公司介紹，各種特征均使該刀具夾頭在40000r/min高速下仍然具有非常高的精度。該夾頭帶有一加長柄和平的肩部，此特征可保證同心度和合理的力傳遞。此外，該刀具夾頭光滑的外形也降低了在高速加工時的空氣流和切削噪音。通過內(nèi)在特征，如基部的厚壁部分和8°的夾頭設計，抑制了諧振，提高了剛性。因為振動能縮短刀具壽命、降低表面精度和磨損主軸，所以，該系統(tǒng)在高速加工時能夠吸收和隔離振動的特性是相當有價值的，抑制振動方面優(yōu)于熱縮夾頭。此外，VC刀夾還帶有TiN涂層，可在緊固螺帽時減小摩擦，所以可采用較大扭矩，同時螺帽下的溝槽可抑制小的諧振。
另一種高速卡盤刀具夾頭也可以在40000r/min的高速下達到平衡，沈陽機床配件這是由BIGKaiser精密刀具公司推出的BIG-PLUS兩面定位主軸系統(tǒng)，是目前世界上唯一能夠真正實現(xiàn)“兩面定位”的7：24錐柄。使用帶BIG-PLUS兩面定位主軸系統(tǒng)的Mega夾持系統(tǒng)，提高了主軸和刀具夾頭接觸面的精度和剛性。據(jù)報道，未開槽的螺帽在高速時可消除刀具振動、降低嘯聲和減少冷卻液飛濺。刀具夾頭帶一套滾珠軸承單向離合系統(tǒng)的專有扳手，作為螺帽緊固時的棘輪。該系列刀具夾頭是為最小的刀具設計的，有直徑從0.25～38mm不等的四種不同規(guī)格：用于小型切削刀具的緊湊區(qū)域的Mega微型彈簧夾頭;高速加工的標準NewBaby彈簧夾頭;用于可達12.7mm高夾緊力的端面銑的E型彈簧夾頭;以及雙動力卡盤，在刀夾體和螺帽之間的雙接觸螺帽可提高剛性。
無論采用何種刀具夾頭，平衡對于高速加工來說都至關(guān)重要。在高速加工中，普遍可接受的刀具夾頭最大不平衡量為3gmm，但在主軸以30000r/min以上的高速運動時，該不平衡量值降到1g-mm。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，標準、普通端面銑刀具夾頭可表現(xiàn)出250gmm的不平衡量。根據(jù)實際使用的轉(zhuǎn)速，這種不平衡可能會帶來災難性的后果。
為了適用于高速加工，有些刀具夾頭采用預先調(diào)平到指定水平的方式。某些預調(diào)刀具夾頭供應商也提供平衡設備。這些設備讓用戶能夠平衡刀夾系統(tǒng)，實現(xiàn)優(yōu)化使用，并降低在高速下由于不平衡帶來的離心力而導致的磨損。
即使經(jīng)過預調(diào)，主軸配合不良、刀具的損壞及磨損以及各部件裝配公差較松等其他因素也可能會破壞加工中的平衡性。因此，在車間里保持刀具夾頭的平衡是很重要的。Rego-Fix提供的一種刀夾方法，其制造的每一個刀具夾頭都帶有一套溝槽，需要時可加裝一套平衡環(huán)。這些平衡環(huán)繞過刀具夾頭卡入溝槽，使得Rego-Fix的任何標準刀具夾頭都具有平衡能力。平衡環(huán)結(jié)構(gòu)對超過42000r/min的轉(zhuǎn)速是有效的。作為帶平衡能力的刀具夾頭，刀具更換后，還需要平衡設備去平衡和檢查這些夾頭。
對于給定的轉(zhuǎn)速，沈陽機床配件將刀具夾持系統(tǒng)保持在不平衡閾值以下是很重要的。該閾值隨著轉(zhuǎn)速的提高而降低。假如轉(zhuǎn)速為30000r/min或者更快，那么平衡閾值將降低，以至于很小的振動也不允許出現(xiàn)。這種情況下，建議用戶在刀具預調(diào)整后且刀具夾持系統(tǒng)已經(jīng)平衡后再使用。即使在低轉(zhuǎn)速下，也需要重新平衡。尤其當在不同的機床上更換保持柄，在高速鋼刀具和硬質(zhì)合金刀具間更換或者更換刀具的設計時。
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