高速加工对刀具夹头的新要求

　　现如今，对于高速加工而言，刀具夹头对于生产的可靠性、加工精度和总成本效应的影响尤其重要。刀具夹头必须是平稳或者易于平稳的，必须具有足够的夹紧力，必须足以应对车间的生产以及各式各样的切削刀具。

　　当要以15000r/min以上的主轴转速进行高速加工时，人们可能就会发现，需要面对更多的问题：不平衡、振动带来的影响以及径向跳动量扩大等，这些都是导致刀具寿命缩短、产生不良表面质量、造成主轴故障的潜在因素。刀具夹头选择错误，对于用户来说无疑意味着自找麻烦。
　　现在，人们不得不面对机床转速不断提高的这一事实。特别是汽车轻量化的需要，使铝合金材质工件的高速加工应用更加广泛。高速加工带来的高产量，也让发动机机体、动力驱动系统部件以及冲模和铸模的制造商们受益匪浅。与此同时，高速加工还使轻量化制造变为现实，并且更为可靠。
　　对于高速加工而言，刀具夹头对于生产的可靠性、加工精度和总成本效应的影响尤其重要。刀具夹头必须是平稳或者易于平稳的，必须具有足够的夹紧力，必须足以应对车间的生产以及各式各样的切削刀具。
　　刀具夹持技术的最新趋势是采用热缩式夹紧结构，装夹时利用感应或热风加热使刀杆孔膨胀，进行刀具的更换，然后采用风冷使刀具冷却到室温，利用刀杆孔与刀具外径的过盈配合实现夹紧，这种结构使刀具在高转速下仍能保持可靠的夹紧性能，特别适用于更高转速的高速铣削加工。
　　该系统的设计理念对高速加工来说似乎令人信服。由于其对称性和没有移动部件(如螺钉)，它们具有固有的平衡性，径向跳动为2.5～5.0mm之间或更小，且能提供相当大的夹紧力。据Briney Tooling Systems公司的估计，当镗杆以75kw的功率旋转刀具时，热缩式刀具夹头可提供给锥柄的夹紧力平均为44.5kN。该公司声称，其夹紧能力高于机械或液压卡爪的夹紧力5倍以上。
　　然而，热缩式刀夹的使用推广却十分缓慢，分析其原因可能存在以下几点：首先，采用热胀冷缩原理的装夹理念尚不为人们广泛接受。有些人对不使用固定螺钉或卡爪来夹紧物件的方式缺乏感性认识，再加上收缩性锥柄必须有与之相匹配的专有锥柄直径，因此，对尺寸各异的刀具来说，使用时好象并不十分灵活。然而，在大批量的汽车部件生产中，这还算不上是什么主要问题，因为，通常人们使用的锥柄都是标准的。尽管可以缩短换刀时间，这个过程所需要的时间甚至低于30秒，但由于存在加热和冷却的过程，仍有某些人对此持否定态度。
　　此外，成本问题也是人们所需要考虑的。采用热缩式夹紧结构的刀具夹头成本要比其他刀具夹头高出大约30%，而且还需要配备一套感应加热机，其成本从几千美元到1万美元以上不等。但所有接触过热缩式刀具夹头的用户都认为，热缩式刀具夹头在实践中的表现证明，它们确实具有充分的合理性，无论高速加工还是低速加工其优势都显而易见。这一点可通过与采用液压夹紧原理或其他机械方式的刀具夹头进行比较即可看出。这些优势最终体现在切削刀具寿命和高速加工生产力的提高上，加快的进给率和较低的刀具消耗补偿了使用热缩式刀具夹头所带来的成本。
　　从长远利益来看，如果一个工厂每月要在购买刀具上投入大量资金的话，使用热缩式刀具夹头能够有效地为其降低制造成本。Aisin Drivetrain公司在其传动箱的生产中进行了热缩式刀夹的测试，转速和进给率提高达20%～30%，生产力提高到400%，PCD刀具寿命提高了3倍。在节省了昂贵的刀具投入成本的同时，也向人们证明了热缩式夹紧结构的合理性。
　　与此同时，弹簧夹头对于高转速的追求也一直没有停歇。作为最流行的刀具夹头，它们依靠纯机械界面夹紧刀具，适合大范围的椎柄长度和直径，能够为用户提供高度的适用性和柔性。目前，至少有若干供应商有能力提供适用于高速加工的弹簧夹头。
　　弹簧夹头有着诸多实用优势。很多用户表示，他们更喜欢不需要加热的夹紧方式，这样，一般操作者使用起来会比较安全。弹簧夹头在Z轴向上允许更多的刀具预调整。而对于热缩式刀具夹头来说，要达到这一点需要配备专用预调仪器。尤其是汽车制造业的广大用户，他们更加偏爱具有Z轴向的预调能力，这样能够方便地更换刀具。
　　弹簧夹头柔性十足。当更换一把带不同直径锥柄的刀具时，只须更换夹套而不是整个刀具夹头。但柔性的代价是夹持特定的刀具时会缺乏刚性，这会导致刀片磨损较大，因而需较频繁地更换刀具。
　　Rego-Fix公司声称其有一套强力夹紧系统能够与热缩式刀夹相媲美。该公司于2004年推出的powRgrip强力夹持系统，可以通过在夹套和刀柄之间的极度界面配合产生很大的夹紧力。多次刀具更换表明该系统表现良好，据说该系统已经通过超过20000次的刀具插入和卸下的测试记录。卡盘上的唯一磨损件为夹套，而夹套是相对比较便宜的配件。同热缩夹头系统类似，powRgrip也需要一套刀具插入机构。该机构是一台式迷你型压力机，可产生6t的压力，刀具插入或卸下大约需要15秒钟。
　　Lyndex-Nikken公司也提供高速加工用的弹簧夹头系统。据说，其VC型刀夹特别适用于模具的修整，在40000r/min的高速下运转平稳，在4×D处径向跳动量仅为3mm。此外，该刀夹不需要使用工具或夹具拆装夹头。据Lyndex-Nikken公司介绍，各种特征均使该刀具夹头在40000r/min高速下仍然具有非常高的精度。该夹头带有一加长柄和平的肩部，此特征可保证同心度和合理的力传递。此外，该刀具夹头光滑的外形也降低了在高速加工时的空气流和切削噪音。通过内在特征，如基部的厚壁部分和8°的夹头设计，抑制了谐振，提高了刚性。因为振动能缩短刀具寿命、降低表面精度和磨损主轴，所以，该系统在高速加工时能够吸收和隔离振动的特性是相当有价值的，抑制振动方面优于热缩夹头。此外，VC刀夹还带有TiN涂层，可在紧固螺帽时减小摩擦，所以可采用较大扭矩，同时螺帽下的沟槽可抑制小的谐振。
　　另一种高速卡盘刀具夹头也可以在40000r/min的高速下达到平衡，这是由BIG Kaiser精密刀具公司推出的BIG-PLUS两面定位主轴系统，是目前世界上唯一能够真正实现“两面定位”的7：24锥柄。使用带BIG-PLUS两面定位主轴系统的Mega夹持系统，提高了主轴和刀具夹头接触面的精度和刚性。据报道，未开槽的螺帽在高速时可消除刀具振动、降低啸声和减少冷却液飞溅。刀具夹头带一套滚珠轴承单向离合系统的专有扳手，作为螺帽紧固时的棘轮。该系列刀具夹头是为最小的刀具设计的，有直径从0.25～38mm不等的四种不同规格：用于小型切削刀具的紧凑区域的Mega微型弹簧夹头；高速加工的标准New Baby弹簧夹头；用于可达12.7mm高夹紧力的端面铣的E型弹簧夹头；以及双动力卡盘，在刀夹体和螺帽之间的双接触螺帽可提高刚性。
　　无论采用何种刀具夹头，平衡对于高速加工来说都至关重要。在高速加工中，普遍可接受的刀具夹头最大不平衡量为3gmm，但在主轴以30000r/min以上的高速运动时，该不平衡量值降到1g-mm。经对比发现，标准、普通端面铣刀具夹头可表现出250gmm的不平衡量。根据实际使用的转速，这种不平衡可能会带来灾难性的后果。
　　为了适用于高速加工，有些刀具夹头采用预先调平到指定水平的方式。某些预调刀具夹头供应商也提供平衡设备。这些设备让用户能够平衡刀夹系统，实现优化使用，并降低在高速下由于不平衡带来的离心力而导致的磨损。
　　即使经过预调，主轴配合不良、刀具的损坏及磨损以及各部件装配公差较松等其他因素也可能会破坏加工中的平衡性。因此，在车间里保持刀具夹头的平衡是很重要的。Rego-Fix提供的一种刀夹方法，其制造的每一个刀具夹头都带有一套沟槽，需要时可加装一套平衡环。这些平衡环绕过刀具夹头卡入沟槽，使得Rego-Fix的任何标准刀具夹头都具有平衡能力。平衡环结构对超过42000r/min的转速是有效的。作为带平衡能力的刀具夹头，刀具更换后，还需要平衡设备去平衡和检查这些夹头。
　　对于给定的转速，将刀具夹持系统保持在不平衡阈值以下是很重要的。该阈值随着转速的提高而降低。假如转速为30000r/min或者更快，那么平衡阈值将降低，以至于很小的振动也不允许出现。这种情况下，建议用户在刀具预调整后且刀具夹持系统已经平衡后再使用。即使在低转速下，也需要重新平衡。尤其当在不同的机床上更换保持柄，在高速钢刀具和硬质合金刀具间更换或者更换刀具的设计时。
 

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