适合高速加工的工具系统

1引言

21世纪的机械制造业将向着绿色制造、节省能源、高度智能化等方向迅速发展,这对加工机床及工具的高精度、高效率、智能化以及环保性能等提出了更高要求。

近年来,高速加工已成为切削加工的重要发展趋势之一。高速加工不仅可以提高加工效率和加工精度,降低加工成本,而且可以满足淬火钢等难切削材料的加工要求。高速加工不仅要求刀具自身具有良好的刚性、柔性、动平衡性及操作性,同时对工具系统与机床主轴的联接刚性、联接精度以及对刀具的把持力、把持精度等都提出了严格要求。

2高速加工对工具系统的要求

两面定位工具系统

目前市场上大量应用的仍是7:24锥度的工具系统(ISO、DIN、BT等工具系统均属此类)。随着切削高速化的发展,此类工具系统暴露出以下不足:①刚性不足,刀柄的法兰面与主轴端面之间存在间隙；②ATC(自动换刀)的重复精度不稳定,每次自动换刀后刀具的径向尺寸都可能发生变化；③轴向尺寸不稳定,主轴高速转动时因受离心力作用内孔会增大,使刀具轴向尺寸发生变化；④刀柄锥部较长,不利于快速换刀及机床的小型化。

为解决上述问题,一些研究机构和刀具企业开发了一种可使刀柄在主轴内孔锥面和端面同时定位的新型联接方式——两面定位工具系统,其中最具代表性的是日本大昭和精机(BIG)开发的BIG-PLUS工具系统和德国标准的HSK工具系统。

图1 图2

BIG-PLUS工具系统

图1所示的BIG-PLUS工具系统仍采用7:24锥度,其结构设计可减小刀柄装入主轴时(锁紧前)与端面的间隙(如40“刀柄的间隙为0.2±0.005mm),锁紧后可利用主轴内孔的弹性膨胀对该间隙进行补偿,使刀柄与主轴端面贴紧。

BIG-PLUS工具系统具有以下优点:①增大了与主轴的接触面积,增强了系统刚性,提高了对振动的衰减作用；②利用端面的矫正作用提高了ATC的重复精度；③端面定位作用使系统轴向尺寸更为稳定。

由于BIG-PLUS工具系统仍采用7:24锥度,锁紧机构也无不同,因此它与一般非两面定位系统之间具有互换性,这也是BIG-PLUS工具系统得以迅速推广的一个重要原因。

HSK工具系统

如图2所示的HSK工具系统采用1:10锥度,刀柄为中空短柄,其工作原理是利用锁紧力及主轴内孔的弹性膨胀补偿端面间隙。由于中空刀柄自身具有较大弹性变形,因此对刀柄的制造精度要求相对较为宽松。此外,由于HSK工具系统质量较小,柄部较短,有利于高速ATC及机床的小型化。但另一方面,HSK工具系统的中空短柄结构将使系统刚性和强度受到一定影响。

两面定位工具系统弥补了传统工具系统的许多不足,必将成为工具系统的主流,得到越来越广泛的应用。

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