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數(shù)控刀具高速切削加工技術(shù)(續(xù))

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2) 刀其系統(tǒng)接口技術(shù)

刀具系統(tǒng)接口技術(shù)包括刀具—機(jī)床接口技術(shù)與刀具—刀柄接口技術(shù)

。

刀具—機(jī)床接口技術(shù)

為了克服傳統(tǒng)刀柄僅僅依靠錐面定位導(dǎo)致的不利影響

，一些科研機(jī)構(gòu)和刀具制造商研究開(kāi)發(fā)了一種能使刀柄在主軸內(nèi)孔錐面和端面同時(shí)定位的新型連接方式—兩面約束過(guò)定位夾持系統(tǒng)

。該系統(tǒng)具有很高的接觸剛度和重復(fù)定位精度，夾緊可靠

。目前，該系統(tǒng)主要有短錐柄和7:24長(zhǎng)錐柄兩種形式

。雖然7:24錐柄具有與傳統(tǒng)BT刀柄可以互換

，并可方便安裝于主軸錐孔錐度為7:24的機(jī)床上，可提高刀柄與主軸的連接剛度和精度等優(yōu)點(diǎn)

，但從切削速度日趨提高的高速加工的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看

，錐度為1:10的短錐柄的刀柄結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景更為廣闊。目前

，短錐柄的兩面約束刀柄主要有HSK

、KM、NT

、BIG-PLUS等幾種

。

HSK刀柄的錐柄部分采用錐度為1:10 的中空短錐柄，當(dāng)?shù)侗c主軸連接時(shí)

，依靠短錐刀柄在主軸錐孔內(nèi)定心

。

1.刀柄 2.拉桿 3.主軸 4.彈簧套
當(dāng)短錐刀柄與主軸錐孔緊密接觸時(shí)．在端面間尚有0.1左右的間隙，在拉緊力作用下

，利用中空刀柄的彈性變形補(bǔ)償該間隙

，以實(shí)現(xiàn)與主軸錐面和端面雙面約束定位。此時(shí)

，短刀柄與主軸錐孔間的過(guò)盈量約3～10 μm

。由于中空刀柄具有較大的彈性變形，因此對(duì)刀柄的制造精度要求相對(duì)較低

。此外

，由于HSK刀具系統(tǒng)柄部短、質(zhì)量小

，有利于機(jī)床自動(dòng)換刀和機(jī)床小型化

。但其中空短錐柄結(jié)構(gòu)亦會(huì)使系統(tǒng)剛度與強(qiáng)度受到影響。HSK刀柄有A

、B

、C

、D、E等多種形式

，其中HSK40A

、HSK40E 、HSK63E的極限轉(zhuǎn)速可達(dá)到4,200r/min

、5,5000r/min

、3,2500r/min 。

1.刀柄 2.拉桿 3.鎖緊鋼球 4.鎖閉桿
由美國(guó)肯納公司研究開(kāi)發(fā)的KM(Kennametal )模塊系統(tǒng)——兩面夾刀具系統(tǒng)

，其結(jié)構(gòu)如圖2所示

。它采用了三點(diǎn)定位方式，既可用于車床又可用于車削中心和加工中心

。由于它結(jié)構(gòu)獨(dú)特

，具有高速、高剛性

、高精度的優(yōu)點(diǎn)

，正在被越來(lái)越多的機(jī)床廠家所采用。與HSK刀柄相比

，KM刀柄與主軸錐孔間的過(guò)盈量高約2～5倍

，如KM6350(相當(dāng)于BT40)的過(guò)盈量為10～25μm，其實(shí)際應(yīng)用中

，KM6350和KM4032的轉(zhuǎn)速分別達(dá)到36,000r/min和50,000r/min

。HSK和KM兩系統(tǒng)的剛度比較如圖3。

BIG-PLUS刀具系統(tǒng)采用7:24 錐度

，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可保證刀柄主軸與主軸端面的間隙約0.2 左右

，鎖緊時(shí)可利用主軸內(nèi)孔的彈性膨脹對(duì)該間隙進(jìn)行補(bǔ)償，以確保刀柄與主軸端面貼緊

。

兩面約束夾持系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工具系統(tǒng)的許多不足

，代表了刀具一機(jī)床接口技術(shù)的主流方向，必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用

。目前

，國(guó)外已研發(fā)了多種結(jié)構(gòu)形式的兩面約束夾持系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)具有重復(fù)定位精度高

、動(dòng)靜剛度高等一系列優(yōu)點(diǎn)

，可滿足高速加工的要求。

刀具一刀柄接口技術(shù)

刀柄對(duì)刀具的夾持力的大小和夾持精度的高低

，在高速切削中具有十分重要的位置

。如果刀柄對(duì)刀具夾持不牢固

，輕則降低加工精度

，重則導(dǎo)致刀具及工件損壞

，甚至引發(fā)安全事故。

提高刀具系統(tǒng)夾持精度

，就必須設(shè)法使刀具得到精密可靠定位

，確保足夠夾持力，就必須嚴(yán)格控制和提高刀具系統(tǒng)配合精度

、加大夾持長(zhǎng)度

、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及合理選材。目前

，適宜高速切削加工的刀具夾頭主要有以下幾種：

* 熱縮夾頭利用刀柄裝刀孔熱脹冷縮使刀具可靠夾緊

。它是一種無(wú)夾緊元件的夾頭，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單對(duì)稱

、夾緊力大

。
* 高精度彈簧夾頭由日本大昭和精機(jī)株式會(huì)社生產(chǎn)的高精度彈簧夾頭，采用錐角12°錐套

，所有夾頭都經(jīng)平衡修整

，以適應(yīng)高速加工的要求。目前

，這種夾頭的轉(zhuǎn)速可達(dá)30,000～40,000r/min

。
*高精度液壓夾頭 BlG-PLUS刀具系統(tǒng)的高精度液壓夾頭采用兩點(diǎn)夾持的一體型構(gòu)造，具有很高的夾持力和夾持精度

，且減小了夾頭質(zhì)量

。
* 高精度靜壓膨脹式夾頭由德國(guó)雄克公司生產(chǎn)的高精度靜壓膨脹式夾頭，通過(guò)擰緊加壓螺栓提高油腔內(nèi)的油壓

，使油腔內(nèi)壁均勻?qū)ΨQ的向軸線方向膨脹

，以?shī)A緊刀具。該夾頭夾持精度極高

，其徑向跳動(dòng)小于3μm

。
* 三棱變形夾頭該夾頭利用夾頭本身的變形力夾緊刀具，其自由狀態(tài)為三棱形

，裝夾刀具時(shí)

，利用液力作用使夾頭內(nèi)孔變?yōu)閳A形，撤消外力后

，內(nèi)孔重新收縮為三棱形

，以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具三點(diǎn)夾緊。該夾頭具有結(jié)構(gòu)緊湊

、定位精度高(可達(dá)3μm以下)且對(duì)稱

、刀具裝夾簡(jiǎn)單等恃點(diǎn)。
*新穎結(jié)構(gòu)夾頭由Sandvik 公司新推出的Coro Grip夾頭，借助液壓裝置推動(dòng)錐套

，在3D處測(cè)量

，其徑向跳動(dòng)可達(dá)2～6μm，這種夾頭夾緊更為可靠

，其剛性高于液壓夾頭

，裝夾時(shí)間短于熱縮夾頭。ISCAR公司推出的圓柱柄新型裝夾方式

，不僅保證端面接觸

，而且能在半個(gè)圓周面上形成夾緊力，提高了夾持剛性

。

3) 刀具平衡技術(shù)

高速加工對(duì)刀具的動(dòng)平衡技術(shù)提出了很高的要求

。一般情況下，銑刀刀柄—彈簧夾頭可通過(guò)平衡修整來(lái)達(dá)到動(dòng)平衡

。如日本NT公司推出的高平衡等級(jí)熱縮夾頭(SK3

、SK4～6)的適用轉(zhuǎn)速可達(dá)70,000r/min , SR10～20可達(dá)50,000r/min 。對(duì)于帶微調(diào)機(jī)構(gòu)的精鏜頭

，為了平衡調(diào)節(jié)加工直徑時(shí)重心的改變

，日本大昭和精機(jī)株式會(huì)社推出了一種可進(jìn)行自動(dòng)平衡補(bǔ)償?shù)溺M頭—EWB ，用于加工孔徑為?32～105和?2～?42的高速精鏜頭EWB32～105和EWB2 ～50

，其極限切削速度可達(dá)20

，000r/min。

4 刀具設(shè)計(jì)技術(shù)

高速切削刀具設(shè)計(jì)技術(shù)包括刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化選擇

、刀休安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

、刀片夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等技術(shù)。

高速切削刀具損壞的主要特征是：刀具刀尖熱磨損和刀具切削刃邊界的缺口破損

。因此

，用于高速加工刀具的前角應(yīng)比普通刀具小(g≤0°) ，后角應(yīng)比普通刀具大(5°～8°)

，主

、副切削刃連接處應(yīng)采用修圓刀尖或倒角刀尖，以提高刀具剛性和減小切削刀具破損的概率

。

刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)被加工材料和工序優(yōu)化組合刀具材料

、涂層和槽型功能，開(kāi)發(fā)具有最佳切削效果的刀片結(jié)構(gòu)

。如ISCAR公司和日本三菱公司推出的多功能刀片

，具有空間切削刃和曲面前刀面，切削力小

，刃口強(qiáng)度高

，高速加工時(shí)抗磨損能力強(qiáng)

，可謂高速加工切削刀具刃型結(jié)構(gòu)的代表。

此外

，刀具夾緊結(jié)構(gòu)亦應(yīng)適應(yīng)高速加工要求

，比如采用新型刀片夾緊結(jié)構(gòu)以防刀片飛出，刀體小質(zhì)量輕型化設(shè)計(jì)

、標(biāo)明最高極限轉(zhuǎn)速及刀片夾緊力矩等。

總之

，高速切削加工已成為機(jī)械制造的主流發(fā)展方向

，因此，適宜高速切削加工的刀具系統(tǒng)技術(shù)的研究具有十分重要的意義

。隨著先進(jìn)制造技術(shù)及材料技術(shù)和納米技術(shù)的發(fā)展

，新的多元、復(fù)合

、納米級(jí)的硬質(zhì)涂層及CVD金剛石薄膜等功能材料

、超硬刀具材料、陶瓷刀具

、涂層刀具等將得到廣泛應(yīng)用

，高速切削刀具系統(tǒng)將日趨完善，成為推動(dòng)高速切削加工的重要組成部分

。

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