高精切削加工刀柄技术和工具系统的选择
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高精加工的刀柄技术


图1 海德勒•洛克公司生产的油压夹头

图2 加工连杆孔组合刀具
若想保证在高精切削加工中获得满意的加工精度,就应选择相应的刀柄技术及其工具系统。这一点往往未能引起人们的重视,可是实际上作为连接机床主轴和切削刀具发挥重要作用的刀柄,对所制造的零件是否达到相关标准的要求或变成废次品、对使用的切削刀具是否会快速磨损及是否能长时间使用、对切削加工效率是否可达到所期待的高效率、能否延长机床的有效加工时间等起着重要作用。影响上述效果的主要是刀柄的精度及可靠性。
美国布莱尼工具系统公司的乔治•泰勒认为,如果选择具有最高精度、最高刚性及最小径向跳动的刀柄,则对切削加工十分有利:切削刀具的使用寿命可提高2倍,刀具成本大幅度下降,废次品率明显减少,刀具的径向跳动精度高和良好的动平衡性可使切屑载荷均匀地分布在刀尖上,从而可大幅度提高切削速度和进给量,可收到生产效率和金属切除率高、缩短机床费用的偿还期的显著效果。
美国油压夹头制造商海德勒•洛克公司生产的油压夹头具有良好的动平衡性,良好的同心度及210kg/cm²的夹紧力等优点,用户只要旋转螺钉,活塞即开始工作加压,压力油压缩内置薄壁套筒而将刀柄夹紧。
该公司的生产部长罗伯特•劳布认为,弹簧夹头对几乎所有的金属切削加工都能满足要求,多数制造厂家在生产精度极高的弹簧夹头,其产品质量正在不断提高,实际上,该公司生产中所使用的夹具90%是自制的弹簧夹头,其余10%是自制的油压夹头。
美国林德克斯公司总务主管副总经理弗兰克•富万透露,该公司生产的夹具几乎都是油压夹头,用于f4mm切削刀具的弹簧夹头的径向跳动精度可达0.005mm;此外,这种弹簧夹头在不附加密封件、垫片、特殊螺母或其它硬件的情况下,可使用压力为6.9Mpa的内冷却液;还能提供不超出弹簧夹头径向跳动、夹紧力和动平衡等综合标准用途范围,包括热压配合(热装)、油压或液压夹头最适宜高精加工的任选附件。该公司提供的热压夹具(见图2),其内径尺寸特意取负公差,其目的是靠热胀冷缩夹紧刀柄。
精密刀柄应具有径向跳动小、夹紧力大且稳定可靠、动平衡性及刚性好等优点。下面对各种刀柄的选择要点加以介绍。

径向跳动

美国科曼德工具系统公司的技术主管董事威利姆•基弗认为,在考虑刀柄的选择标准时,同心度或径向跳动应优先考虑。在进行高精度或高速切削加工时,要求的基本条件是切削力应保持不变,而径向跳动或偏心会使切削力产生变化,这对切削加工精度极其不利。保证同心度的目的是使刀具和主轴正确地绕同一轴线旋转,它与主轴的形式无关。
泰勒认为,与同心度有关的其它要素是刀具柄部和刀柄夹持面之间的相对同心度,确保孔径和锥面的相对同心度重复精度达到0.005mm是金属切削加工所需要的必要条件,用户要求的同心度重复精度应在0.005mm左右。
林德克斯公司的富万认为,在实际应用中用什么方法获得哪个部位的径向跳动十分重要。许多形式的刀柄技术条件强调,刀尖部位的径向跳动应该很小,但要保证刀尖部位径向跳动达到所要求的精度是很难的。用本公司的“RO”刀柄和FDC弹簧夹头系统相组合,在45秒钟内能将刀具的刀尖径向跳动调整到接近于零。

夹紧力

在高精加工中,刀柄应具有足够的夹紧力,其夹紧力应从数千磅至液压式夹具的6000磅范围内。特克纳克工具系统公司的项目经理塔克•约西莫特认为,在一般的加工条件下刀具的夹紧力是足够的,但在加工中产生振动时,应使用热装(热压配合)刀柄或液压式刀柄装夹刀具,因为热装刀柄与其它形式的刀柄相比,能较好地保持刀具的位置精度。
T•M•史密斯国际工具公司曾使用几种大型扭矩扳手对油压夹头,热装刀柄的夹紧力进行了测试,热装刀柄的夹紧力最大。

动平衡性

在高精加工中,刀柄应具有优良的动平衡性,尤其对高速切削更为重要。为高精高速切削加工所设计的刀柄,则必须制订出高水平的动平衡指标。但无论哪一种工具系统的动平衡都不是绝对平衡的。刀柄或整体刀具的不均衡是很难消除的,首先是消除不平衡的大部分,之后把装在主轴上的刀具修正到满足要求的状态。另一方面,我们用试验的方法开始观察,在不同切削速度条件下,由不平衡而产生的一种力的情况,并判断该力对切削加工的最大影响。可以肯定,刀具越长,不平衡的问题就越严重。

刚性

刀柄必须具有足够的刚性。泰勒认为,许多厂家使用高的主轴转速。为适应加工材料的变化,可选用的切削速度范围很宽,切削刀具的刚性对加工质量及加工性能有很大影响。因此要把刀柄设计成刀具能绕其轴线旋转而且刀柄和刀具组合后,在切削载荷的作用下,不会产生弯曲。科曼德工具公司的基弗将其概括为“在空间允许的范围内,必须尽量把刀柄设计成短且刚性好的接柄。”

工具系统的选择

油压夹头能够提供足够的刚性和动平衡,并能使刀具柄部与夹头的轴心成一直线。油压夹头的特点是,其内有较薄的套,此套在油压作用传递压力并能实现刀柄360°范围的夹紧。科曼德工具公司的基弗则认为,带薄壁内套的油压夹头用于轻切削的铣削加工和钻削加工有它的局限性,钻削加工宜采用油压或热装刀柄,铣削加工宜采用热装刀柄。用在钻削加工中,钻头承受的是轴向压力和扭矩,不会使内套承受弯曲力,而铣削加工中,内套承受侧压而产生弯曲。
林德克斯公司的富万指出,带薄壁内套的油压夹头用于夹持焊接刀具有时会发生破损的情况,油压夹具只能夹持圆柄刀具,不适合夹持非圆柄刀具。如果用油压夹头来夹持非圆柄刀具,将会使内套产生不均匀变形,使用时间过长,就难以牢固地夹紧刀具。
特克纳克工具系统公司的项目经理塔克•约西莫特指出,油压夹头需要定期清洗维护,必须解决用户不热悉清洗维护技术而产生的问题,与其它装置比较,油压装置的维护保养需要较高的技术,装置的螺钉不能松动,密封系统必须定期检查维护。

热压配合技术

热压配合工具系统技术是近年来的热门话题。其主要原因是热压配合技术能够提供近乎完美的刀柄,即刀柄的径向跳动很小、夹紧力大。使用这种刀柄可获得加工精度高、表面粗糙度优良及刀具使用寿命长的效果。
该工具系统的装夹原理是用感应加热等方法将其刀柄加热,当温度达到315℃~425℃时,使负公差的刀柄内径充分扩大到刀具柄部能插入的程度,此时将刀具柄部插入内孔,然后冷却刀柄,靠刀柄冷却收缩以很大的夹紧力同心地夹紧刀具。
据T•M•史密斯国际工具公司系统经理杰里•诺顿介绍,几年前,该公司就决定在油压式工具系统和热装式工具系统中选择一种进行生产,经考虑,决定选用热装式工具系统。有人持不同观点,认为要加热刀柄,不仅在加热设备方面需花费很多投资,而且还存在安全和其它问题。在实施过程中,把刀柄加热到500°F,600°F甚至到800°F曾发生过严重的烫伤事故;此外还存在如何测控温度的技术问题。为此在防罩、温控传感器方面有待进一步改进。
热装式工具系统的精度要比其它工具系统的精度高,所以最适合于装夹高质量的硬质合金刀具,而不适合装夹高速钢刀具以及精度和性能分散度大的刀具。此外,使用热装式工具系统,其刀具的预调(对刀)也是一个需要解决的问题,热压配合装置的生产厂商已找到了对此问题的解决方法(见附表)。
表 高精加工用各种刀柄夹紧技术的比较
刀柄形式基本特性特点注意事项
弹簧夹头360°夹紧,高速切削时刀具易松动;新型弹簧夹头抗离心力强。容易被弄脏。刀尖的径向跳动决定于弹簧夹头及其夹具径向跳动和精度。使用柔性好;径向跳动在0.01~0.02mm交换刀具时需要清理
油压式刀柄360°柔性夹持;内套夹紧刀具柄部的重复径向跳动精度高;最适合于孔加工及精铣;由于挠曲问题而不适合弹力切削加工。容易快速获得理想的径向跳动精度成本高,动密封处易溅漏;维护不良易发生刀具移位;刀具未完全进入夹紧腔口时,内套将会破损,抗大幅度温度变化能力差。
热压配合刀柄夹紧力大,支承优;对主轴速度无影响;要长时间保持径向跳动精度,必须夹紧刀具柄部的全长;抗污能力强非常接近于整体刀具;径向跳动精度范围:0.002~0.005mm材料必须是对高热周期不敏感的材料;加热装置需预先投资;减振能力弱
液压式刀柄径向跳动精度和夹紧能力与热压配合式刀柄匹敌,适合强力铣削及高速切削夹紧力非常大;径向跳动精度范围:0.002~0.006mm所用泵需预先投资

图3 Sandvik公司生产的刀柄及夹头结构
作为精密切削加工的另一种选择是选用Sandvik Coromant公司开发的液压式刀柄。这种刀柄夹紧结构见图3。据该公司介绍,有经验的有户仅用20秒种就能完成夹头的更换。这种刀柄内装有两层套筒,外套与刀柄内孔有2°的锥度,当液压推外套就使内套向刀具柄部周围收缩而将刀具夹紧。刀柄壁很厚,可获得此油压式刀柄更高的刚性,可用于粗加工。用户将原的阀门设定在“夹紧”,插入刀具后泵就起动。系统的操作压力为45KN,此时让泵停止工作,阀门回到中间位置,刀柄就卸载。在这样的工作状态下,夹紧刀具柄部的夹紧力可达413.7Mpa。这种工具系统可提供能与油压式及热压配合式相匹敌的同心度和夹紧力,从表面到孔径3倍深处的径向跳动在0.0025mm以下,夹紧力能均匀地作用在刀具柄部的全长和整个圆周上。本工具系统维护方便,刀柄设有易损件,只有刀柄内孔必须及时清理,唯一需要维护保养的是泵、手轮的喷咀。
该工具系统预先投资大,所以并不是所有用户都适于使用。一般来讲较适于大型客户使用,小型客户使用该系统不够经济。但在刀具交换频繁、精度要求高、径向跳动要求小及要求刀具寿命长的场合,可以考虑采用该工具系统。
本文作者:廖先富(译)
原载:《工具展望》2003年第2期
上载于:2004-3-13 20:02:09

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