大功率切削刀具夹头的特点与应用

　　在理想情况下，切削刀具及其刀具夹头在加工中应该表现得像一个整体的、完美平衡的组件一样可靠——但显而易见，这是很难实现的。刀具和刀具夹头是两个单独的部件，仅靠作用于其接口界面的夹持压力而组合在一起，而切削加工时作用于界面处的不同切削力却趋向于将其分离。

　　有时，这些切削力可能很大，并作用于多个方向，尤其在用硬质合金刀具进行大功率铣削时更是如此。然而，不同的专家对于所谓的“大切削力加工”却有不同的定义。

　　德国雄克公司(SchunkInc.)产品经理JeffKeith指出，“对刀具夹持力要求较高的加工通常都是一次切削加工(粗加工)，或者是对高强度的工件材料(如淬硬钢和常见的航空材料)的加工。”当最终用户试图通过增大切削深度、切削宽度或机床工作台进给速度来缩短加工循环时间时，在二次切削加工(精加工)中也会产生较大的切削力。

　　瑞士Rego-Fix公司的产品工程师DavidMcHenry指出，尤其是在对加工成本敏感的行业(如汽车制造业)，刀柄必须能够承受加工要求的更高进给率和切削速度，“为了更快去除工件材料，还需要使用具有大螺旋角的新型专用刀具——所有这些都取决于你将如何夹持刀具。”

　　美国BigKaiser精密刀具公司副总裁JackBurley解释说，加工韧性较高的工件材料时，切削力会增大，而这种力具有将硬质合金螺旋刀具拉离刀具夹头的倾向，特别是用大螺旋角立铣刀加工通常用于航空工业的“特殊”材料(如Inconel合金和钛合金)时，这种情况尤为明显。当用45°或60°螺旋角的立铣刀铣削这些材料时，立铣刀就像一颗螺钉一样，将自身拉入工件之中，并趋向于脱离刀具夹头。同样，Lyndex-Nikken公司副总裁PrebenHansen也声称，粗加工模具钢时，要求刀具夹头对刀具有特别大的夹持扭矩。

　　但是，Techniks公司总裁JohnStagge解释说，通常在谈到“大切削力”加工时，只考虑刀具尺寸和刀具承受的压力可能会更好一些。按照Stagge对加工的定义，直径大于19mm的立铣刀或钻头在承受最大压力的情况下进行切削时，必须使用大夹持力刀具夹头。工件材料并不重要，因为材料越软，加工速度就越快。因此，甚至在切削铝时，也可能引起很大的切削力，因为所用的切削速度可能高达切削钢时的4倍。

　　雄克公司的JeffKeith认为，当刀具夹头在切削压力下提供了足够的夹持力时，人们并不会给予它们太多好评——但当刀具发生滑移或折断时，人们可能就会把责任归咎于刀具夹头。其实，问题的根源往往来自于其他方面，如刀具切削刃钝化、刀具柄部尺寸超差、刀具插入夹头的方式不正确、工件夹紧不良，或者使用了一台主轴精度变差或功率不足的老式机床。

　　Keith补充说，“如今的机床重量较轻、刚性较差，而且其主轴电机和运动轴驱动电机比较小。这就使加工方式发生了变化，从采用最大切削深度和宽度以及较小的进给率，变为采用较小的切削深度和宽度以及较大的进给率。”从好的方面来看，这种加工方式往往意味着，与过去相比，如今刀具夹头产生的夹紧力大小已变得不那么重要。

　　但是，刀具夹头的选择仍然至关重要，而且，关于哪种类型的夹头可以提供大夹持力，同时对于某种加工具有最佳总体效益也存在一些争议。对于各种不同类型的大功率切削加工，机械式夹头、热装式夹头乃至液压式夹头都具有各自的优势。

　　通常，需要在夹紧力与其他一些有利因素(如较小的径跳、振动和较低的成本)之间进行权衡取舍。考虑一下基本的立铣刀夹头，这种夹头采用侧面紧固螺钉与刀具柄部的平面接触，实现夹紧。BigKaiser公司的JackBurley认为，为了在许多加工中实现可靠的刀具夹持，目前还没有比这种传统的、“廉价”的解决方案更好的夹持方法。但是，用户在切削时可能要牺牲一部分刚性和稳定性。

　　依靠摩擦力来保持夹持力的高端刀具夹头(如热装式夹头)已相当流行，但是，这些刀具夹头也各有利弊。热装式夹头的性能取决于刀具与夹头都有合适的尺寸精度，以及包围刀具柄部的热膨胀孔具有适当的收缩量。此外，与传统的弹簧夹头类似，热装夹头也没有保证刀具正确到位的强制锁紧机构。

　　BigKaiser公司对各种类型刀具夹头夹持粗加工立铣刀的有效性进行了对比评估，结果表明，机械式铣夹头可以提供最大的夹紧力，同时还能提供防止刀具拉脱的安全性和良好的平衡，并能覆盖一定范围的刀柄直径尺寸。

　　Lyndex-Nikken公司的PrebenHansen指出，铣夹头可以提供很大的机械夹持扭矩，“当人们对夹持扭矩有较高要求时，首先应该考虑采用铣夹头。”在实际应用中，该公司UltraLock铣夹头提供的夹持扭矩至少是液压式夹头和热装式夹头的5倍，随着夹头尺寸的增大，其夹持扭矩也将成倍增大。

　　尽管该公司也提供热装式夹头，但Hansen提醒用户注意热装孔尺寸精度的差异，不同供应商提供的夹头可能精度各不相同。良好的热装孔尺寸精度对于在整个夹持直径范围内获得最大夹持力至关重要。

　　但是，热装式夹头的夹持力通常要大于足以完成一次加工的水平。Techniks公司的JohnStagge表示，任何刀具夹头可以提供的夹持力都远远大于完成一次加工所必需的夹持力，“在切削加工行业，刀具滑移并不一定是一个大问题；关键是要采用合适的夹头来夹持刀具。归根结底，对于切削来说，真正重要的是夹头的刚性和精度。”

　　Stagge强调，刀具夹头的性能不能在一种“不真实”的实验室条件下测试评估。当刀具夹头安装到真实的主轴上时，会产生不同的挠曲变形(取决于采用的切削速度和进给量)。变形小则表明刀具夹头的刚性好。

　　Stagge认为，热装式夹头可以提供最佳总体性能。该公司的扭矩测试显示了热装夹头在夹持直径19mm刀具时出色的夹持能力。在切削中，夹头良好的刚性确实有助于提高刀具寿命和加工质量。在较高的进给量和切削速度下，与铣夹头相比，热装夹头可使刀具寿命延长6－8倍。

　　T.M.Smith刀具国际公司设计经理TomWagner表示，用热装夹头夹持硬质合金刀具，可以实现其效能的最大化，这是因为硬质合金刀具与夹头材料(H13钢)的热膨胀率不同。在夹持高速工具钢刀柄时，热缩装刀机必须能在很短时间内将夹头加热到很高温度，从而使夹头孔能在刀具柄部与它一起膨胀之前张开。而夹持尺寸精度为H6级的硬质合金刀柄时，最佳夹持力会使刀柄能在夹头中转动之前就使其脱离。

　　在自动化加工中，热装式夹头的应用日益普及。Wagner认为，部分原因与这种刀具夹头的简便性和一致性有关。使用热装夹头可以减轻维护负担，因为热装夹头是一个整体。与此相反，其他一些刀具夹头(如基本型的弹簧夹头)则由多个零部件构成，需要用螺母和扳手进行紧固。因此，弹簧夹头的装夹状态可能会因人而异；而热缩装刀机没有运动部件，可以利用自动装刀测量装置一次完成刀具装夹，以保证每把刀具装夹位置的一致性。

　　经过改进的新型弹簧夹头确实具有某些优势。瑞士Rego-Fix公司工程师DavidMcHenry介绍说，该公司的powRgrip夹持系统利用机械压力来产生均匀一致的强大夹持力。与热装式夹头相比，这种内压式弹簧夹头具有更好的可控性。采用该夹头能够避免因不正确使用热装夹头(如因过度加热而导致刀具退火)而可能造成的夹头或刀具损坏。因为用户在将刀具压入弹簧夹头时，可以控制夹头的变形量。此外，如有需要，powRgrip夹头还能对刀具产生额外的夹持力。

　　为了满足航空制造业粗加工去除大量铝合金毛坯的需求，powRgrip夹持系统的规格已扩大到适合夹持直径25.4mm的刀具。McHenry补充说，其他一些加工行业也正在敦促刀具夹头专家——特别是刀具和机床制造商——进一步拓展刀具夹头适用的切削速度范围。“powRgrip是一种定位于中等切削速度的刀具夹头，我们正在研究该夹头在高速加工机床上的正常使用时间和刀具寿命。”

　　按照传统加工理论，液压式刀具夹头只适合用于小功率切削加工。由于担心这种夹头在使用时夹持力不足或丧失液压夹持压力，人们通常将其用于切削负荷较小的铰削加工(如在汽车制造业铰削铸件孔)。

　　雄克公司可以提供多种类型的刀具夹头，但尤以生产液压式夹头著称，该公司的JeffKeith指出，液压式夹头确实无法产生与机械式夹头或热装式夹头同等水平的夹持力，但是，液压式夹头能以非常均匀的夹持力与被夹持刀具柄部圆周360°完全接触，从而实现优异的径跳精度和总体切削性能。此外，通过改进结构设计，提高了液压夹头的刚性，从而允许在加工中采用更大的切削深度、切削宽度和/或机床工作台进给速度。

　　液压式夹头的另一个重要优势是具有消振作用。Keith说，“就像汽车上的减震器可以减小路面凹凸不平造成的冲击一样，液压夹头中的液体也能减小加工过程中切削振动的影响，从而提高加工表面光洁度、尺寸精度和刀具寿命。我们认为，在如今的刀具夹头技术中，最佳选择是将适当的(而不是最大的)夹持力与工件加工精度和较长刀具寿命结合起来。”

　　刀具制造商都很了解在严苛的切削条件下刀具夹头的重要性。三菱材料美国公司的整体硬质合金立铣刀专家MarkMenconi表示，采用优质刀具进行切削时，刀具夹头对于加工的成功起到了很大作用。一个出色的夹头可以夹持一组刀具，为高档刀具优化切削性能提供了最佳机会。三菱公司与热装夹头和其他夹头专家合作，对硬质合金刀具进行性能优化。Menconi说，“我认为，热装夹头系统与三菱的刀具配合得非常好，这种夹头与刀具接触面积较大，可以确保最佳夹持性能。”

　　Emuge公司螺纹铣削加工经理MarkHatch说，螺纹铣削加工显示了某种刀具是如何产生各种不同的切削力，从而对刀具夹头的刚性提出很高要求的。在螺纹铣削加工中，工具系统会同时遇到不同的切削力：机床在X和Y方向循环运动产生的切削力，以及铣制螺纹的Z轴切削力。因此，在铣削螺纹时，不仅会产生径向压力，而且存在轴向力。径向压力往往会对工具系统造成最多的问题，其中，夹持力不足引起的最常见问题是螺纹从顶到底呈现锥形。另一个问题是因挠曲力引起的刀具提前失效(大多数情况是切削刃崩刃)。

　　市场对更大螺纹长度(到2倍直径)的需求使问题进一步复杂化，立铣刀通常只能加工长径比(L/D)1－1.5的螺纹。此外，螺纹铣削通常都用于加工高强韧材料(如用于航空、石油钻探和医疗行业的各种合金材料)，这种高强度材料加上大长径比，对刀具夹头的刚性提出了很高的要求。

　　通常，许多螺纹铣削加工都采用ER弹簧夹头和直柄(而不是扁平柄)刀具。直柄很适合热装夹头夹持，而ER弹簧夹头的径向刚度比较差，此外，ER弹簧夹头在承载情况下径跳误差较大，因此容易造成螺纹锥形、刀具破损和刀具寿命缩短。Hatch说，Emuge的螺纹铣刀在柄部增加了一个平面，使其可以用于具有侧面锁紧螺钉的常规立铣刀夹头，目前大多数加工车间已经有这些夹头。

　　Emuge公司也是Rego-Fix公司powRgrip螺纹铣削专用夹头技术的特许供应商。采用这种夹头，可以获得与热装夹头大致相当的夹持力。该夹头的另一个优点是，它具有弹簧夹头特有的抗振特性。这种特性对于螺纹铣削尤其重要，因为螺纹铣削是一种周期性振动的切削过程，刀具可能会陷入谐振状态，从而引起螺纹表面光洁度变差和刀具磨损加快。

　　工具系统研发人员在优化新的切削策略(如大进给铣削策略)时，也必须考虑刀具/刀具夹头的作用力。山高刀具公司的BobGoulding介绍说，大进给铣削不会像常规铣削那样对工具系统施加很大的侧向(径向)力。大进给铣削最初是作为一种加工模具型腔的工艺方法开发出来的，但现在，该方法正好契合了整个切削加工行业降低机床功率消耗的发展趋势。Goulding说，“由于刀具的设计方式，它能以很小的切深产生非常薄的切屑，因此可以采用非常高的进给率进行加工。它产生的切削力沿轴向传回主轴之中，而不是像传统铣削那样产生径向切削力。”侧向力的降低可以减小径跳误差，提高加工表面质量。

　　大进给铣削策略可以适用于刚性较差的主轴，并有可能使用低成本的刀具夹头(如普通的侧面锁紧夹头)。液压夹头(如山高公司的AccuFit夹头)也能减小刀具切削刃的径跳误差，从而起到补偿刀具磨损、延长刀具寿命的效果。

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