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现代机械加工对刀具的要求 |
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作者：许昌烟草机械厂 刘宏跃 陈丹民 |
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绪言
21世纪的社会、产业结构将向着循环经济型、节省能源型、高度信息型迅速变化发展。这就将会对机械加工提出更高的要求。也就意味着加工机器、加工工具也将迅速走向高精度化、高效率化，实现高度信息化、智能化，从而适应社会的保护环境、节省能源的要求。
作为加工主体的加工机器，随着机械要素及NC技术的发展高速、高精度化得到迅速地普及。这是因为高速加工不但可以提高加工效率、降低成本，而且可以提高加工精度，适应以前作为难题的淬火钢等难削材料的加工。在刃具方面，硬质合金刃具越来越普及，并且适合高速加工的CBN、金刚石刃具，DLC涂层等也不断被开发使用。而刀具装在加工机器与刃具之间，起着保持刃具的作用。所以高速加工不但要求刃具自身具有良好的刚性、柔性、动平衡性及操作性，同时对在与机器主轴连接时的刚性和连接精度、在保持刃具时的把持力和把持精度及其它各方面都提出了严格的要求。以下本文就高速、高精度加工时刀具应该具备的条件作一些具体的分析。
两面定位系统
首先是刀具与主轴间的连接问题，也就是主轴系统。现在市场上最多的仍是7/24的主轴系统。包括ISO、DIN、BT等都属于此类。但如前所述，随着机械加工的高速化的发展，这种系统出现了许多的问题:
刚性不足-刀柄的法兰面与主轴端面间有间隙
ATC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。
轴向尺寸不稳定-主轴转动时因受离心力的作用而内孔增大，刀具的轴向尺寸发生变化
刀柄锥部较长-不利于快速换刀及机器的小型化
针对这些问题，一些刀具厂家及研究机构开发了两面定位的主轴系统。也就是使刀柄与主轴内孔锥面、端面同时贴紧的一种新的连接方式。其中有代表性的是日本大昭和精机(BIG)的BIG-PLUS系统(图1)和德国标准的HSK系统(图2)。
BIG-PLUS系统(图1)和德国标准的HSK系统(图2)
BIG-PLUS系统的锥度仍是7/24，其设计原理是
将刀柄装入主轴时(锁紧前)端面间的间隙减小(#40: 0.2mm±0.005)。
锁紧后利用主轴内孔的弹性膨胀补偿此间隙,使刀柄与主轴端面贴紧。
这样产生的效果是:
与主轴的接触面积增大-刚性增强、振动衰减效果提高。
ATC的重复精度提高-端面的矫正作用。
轴向尺寸稳定-显示端面的定位作用。
因为BIG-PLUS系统的锥度仍是7/24，锁紧机构也一样，所以它和一般的系统(非两面定位)之间有互换性。这也是BIG-PLUS系统能得到迅速普及的一个原因。
HSK系统的锥度是1/10，刀柄中空、短柄。它的原理也是利用锁紧力及用主轴内孔的弹性膨胀补偿初期端面的间隙。只是因为它是中空刀柄，自身有较大的弹性变形，可能因为主轴内孔的膨胀而刀柄本身也膨胀，所以它对制造时的公差精度的要求相对较松。另外由于它的质量小、柄部短，所以有利于高速ATC及机器的小型化。但也正因为它是中空短柄，所以刚性、强度要受到一定程度的影响。
无论如何，两面定位系统弥补了普通系统的许多不足，必将成为刀具系统的主流。
刀具自身的刚性与动平衡性
刀具的刚性一直是机械加工中被重视的主要问题之一。刚性不足会引起刀具的振动或发生刀具倾斜，影响加工精度、加工效率。并且因为刀具的振动会加快刃具的磨损，甚至影响刀具及机器的寿命。如果将刀柄杆部近似成一实心圆柱刚体，那它的刚性与截面直径的4次方成正比，与柱长的3次方成反比。也就是说，一把刀柄在它的质量限定后，当然越粗越短刚性便越强。
除此以外，还可以通过改变其自身结构来增强刚性。比如一般的铣刀夹头虽然其锁紧螺母很粗，但螺母底部与刀柄本体之间总有间隙，使刚性损失很多。高速加工对刀具的动平衡性也提出很高的要求。这是因为动平衡性不好的刀具在高速转动时受很大的离心力的作用(与不平衡力矩及转速的平方成正比)，刀杆发生弯曲并容易引起振动。弹簧夹头、铣刀刀柄可以通过平衡修正来解决这个问题。但是如一般带微调机构的精镗头，在调节加工直径时镗头的重心也在改变，所以就无法通过平衡修正来取得动平衡。
最近，日本大昭和精机推出了一种可以进行自动平衡补偿的镗头。其原理如图3所示，在镗头内部安装了一个小齿轮和一个平衡块，在调节直径、使套管轴向外移动时，平衡块将通过小齿轮的作用向相反方向移动，从而保持重心位置不变。
图3 EWB自动平衡补偿镗头（日本BIG大昭和精机）
把持力和把持精度
特别是在立铣刀的加工时把持力尤为重要。因为立铣刀的刀刃都带有螺旋角，所以加工时切削力在轴向的分力就很大。把持力不足就可能会使刃具(立铣刀)被拉出，影响加工精度，甚至损坏刃具及工件。增强刀柄把持力的方法主要是通过严格控制内孔的公差、保证足够的把持长度并合理地选材、设计尽量有效地将锁紧力转换成径向的把持力。
高速加工的深入将意味着硬质合金的刃具将取代高速钢刃具。这样刀具的把持精度便成为一个重要的课题。想象一下用三爪钻夹头夹持硬质合金的钻头进行20,000r/min加工的情景: 钻头折断、工件报废、生产中断……
刀具的把持精度的重要性还体现在铰刀的加工中。象一些小、深孔的精加工时，铰刀用得较多，但如果刀具的把持精度不好，铰刀前端的跳动很大的话，加工的孔径肯定会超出公差范围，得不到理想的效果。
要提高刀具的把持精度，就意味着必须“完全均匀”地把持刃具。如果是弹簧夹头，由于它的固定原理是旋紧螺母→压入套筒→套筒内径缩小→夹紧刃具，那影响它的把持精度的要素除本体的内孔精度、螺纹精度、套筒的外锥面的精度，把持孔的精度、以及螺母的螺纹精度以外，螺母与套筒的接触面的精度、套筒的压入方式都很重要。
信息化、智能化
由于产品结构的变化周期日益缩短，机械加工同样面临着“多品种、少批量”的问题。这使得刀具的数量增加，工件、刀具的准备时间也增加，影响加工效率。解决这个问题的方法就是利用IC系统，自动识别刀具，掌握刃具信息、加工状况，并通过计算机对这些信息进行一元化管理。图4是日本大昭和精机设计生产的IC系统的示意简图。
图4 IC系统（BIG大昭和精机）
除此以外，还有象刃具破损自动报警、自动测量孔径并自动补偿刀尖直径等技术都体现了机械加工的信息化、智能化的发展。
今后，为了提高高速、高效率加工时的信赖性，越来越多的智能型的刀具、刃具会被开发使用。
结束语
以上主要介绍了高速、高精度加工时刀具应该具备的条件。实际上高速加工不单纯是指主轴的转速快，而是指整体的加工时间的短缩。这也关系到复合加工机的刀具配置问题。环境保护也是机械加工的一个重要课题，对于刀具来说必须考虑如何适应干式加工或准干式加工。针对节约能源的问题，又要求刀具有高效率化(增速刀具、电动、气动刀具等)和充分的柔性。 (end)
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(12/20/2004) |
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