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      高精度刀具夾頭

      人們往往忽略了如何選用刀具夾持器(機床主軸和切削刀具之間的重要聯結),這可能意味著生產一個合格的零件和生產廢品之間的差別;委曲合格的生產率和最短的機床加工時間的差別;過早的刀具磨損和延長刀具壽命之間的差別。在要求高精度的應用中尤其如此,由于在這種應用中對刀具夾持器的精度和可靠性要給予高度重視。

      有關專家以為,當你選擇具有最好同心度和最大剛度以及最小振擺的刀具夾持器時,對你的加工工序將產生很大的好處:刀具壽命幾乎增加1倍,節約刀具本錢和減少廢品。好的同心度和平衡也意味著切削載荷是均衡地分布在切削刃下的,從而答應更高的切削速度和進給率,這就意味著更高的生產率,更高的金屬往除率和更快的對機床投資的回收。對大多數金屬加工的應用而言,彈簧夾頭仍然是可靠的解決辦法。有很多制造廠生產異常精密的彈簧夾頭,他們正做得越來越好。

      說明現階段彈簧夾頭技術水平的是Lyndex公司生產的FDC彈簧央頭。據其總經理說,在4倍于切削刀具刀柄直徑的間隔上,彈簧夾頭提供的TIR(徑向振擺總表頭讀數)值少于0.005mm,即其振擺等同或優于大多數的液壓夾頭。此外,彈簧夾頭在使用6.9MPa壓力的冷卻液時,而不必密封,不用墊片、專門螺母或要求的附加件。

      但是,假如對你的應用而言,彈簧夾頭的振擺、夾持力和平衡能力不都是良好的,那么對真正的高精加工有多種選擇,包括收縮配合、液壓的和液壓機械的夾頭。對于你的應用,選擇正確的型式,可能是改善加工工序的一條可行的路子。

      精密刀具夾持器的主要特性包括同心度、夾持力、平衡和剛度。下面對這些選擇因素中的每一個,以及現有的各種刀具夾持器技術作一介紹。

      同心度

      在考慮刀具夾持器的選擇準則時,同心度或振擺是首位的。當你進行高精或高速加工時,你首先需要的是恒定的切削力。振擺則使偏心成為對精度的不利影響。同心度的要求從主軸和刀具夾持器之間的聯結開始。目標是刀具的回轉軸線必須嚴格地與主軸是同一軸線。

      同心度的另一個要求是關于刀柄和刀具夾持表面之間的相對同心度?椎闹睆綄﹀F面的TIR0.005mm,對于可重復的、精密的金屬切削加工而言是非常重要的。用戶期看重復精度達到或優于0.005mm。振擺是如何(或實際在何處)丈量也是很重要的。很多型式的刀具夾持器可以宣稱其刀具端部的TIR值很少,但不能保證在切削刃上的TIR值。而Lyndex公司的R-Zero型刀具夾持器與FDC彈簧夾頭系統相結合,則能使用戶在不足45s內調整切削刀刃上的TIR值接近于0。

      夾持力

      夾持力是刀具夾持器的另一重要特性,本文所討論系統夾持能力對液壓機械夾頭從數千磅到60000(267kN)。在大多數正常加工的條件下,夾持力不成為題目。但是,假如你考慮到顫振,由收縮配合和機械液壓夾持器所提供的較高的夾緊力就叮能很重要了。在有顫振的情況下,收縮配合的夾持器保持刀具位置比任何其他系統都好。假如在液壓夾頭或彈簧災頭中,顫振就町能使刀具跑出來。收縮配合的夾持系統就可能好得多?

      可以用一個很簡單的方法往驗證收縮配合夾持器的夾持能力。當我們用一些大力矩板手往檢測產品(液壓的或收縮配合的),看哪一個具有更高的夾持力,結果收縮配合的最好。

      高精加工用的刀具夾持技術的比較

      刀具夾持器的型式

      一般特點

      優點

      局限性

      彈簧夾持

      360°夾持,速度受管口在高速時松開的限制;新的設計反對離心力。對沾污物較敏感,刀夾上的振擺取決于彈簧夾腔的振擺和彈簧夾頭的精度

      進步了靈活性,振擺范圍0.010.02mm

      為了刀具更換,組件必須清潔

      液壓夾持

      360°柔順性夾持,內套筒夾住刀柄,有很好的位置重復性,對孔加工和精銑更為優異,變形可能不答應用于重負荷材料往除的情況使用

      能快速方便獲得好的振擺。對沾污物比彈簧夾頭少敏感,振擺范圍在0.0020.005mm

      本錢較高,活動的密封,產生滲漏,并使刀具滑動而沒有保持住。如刀具不完全進進腔內,套筒可能產生損壞。不能承受大的溫度變化

      收縮配合夾持

      夾持性和夾緊強度很優異,不受主軸轉速影響,為了經常保持住振擺要求在孔內完全咬合。對沾污物不太敏感

      部件結構很嚴實,振擺范圍為0.002O.005mm

      材料必須對高溫加熱不敏感,加熱單元要求前期基本投資,阻尼很小

      液壓機械夾持

      振擺和夾持力可與收縮配合夾持器相比,可用于重銑削工序和高速加工

      很高的夾持力,振擺范圍為0.0020.006mm

      要求對泵系統的前期基本投資

      平衡

      平衡是一個熱門話題,特別是在較高的速度時。一個好消息是:為高精/高速加工用而設計的刀具夾持器已被自然地平衡到很好的程度了。但是每一個系統都有可變性,而且要達到刀具夾持器/刀具組合體最后沒有殘留不平衡量是很難的。

      早些時候需要修正大多數的不平衡量,F在正在達到這樣一點:不需要做所有需要的修正來保證刀具裝進主軸后運轉得很滿足,比如說,在4000060000r/min的范圍內達G2.5(G數是不平衡量的衡量標準,是由刀具的幾何中心線到它的實際旋轉中心線的毫米間隔乘以每分鐘的轉速的乘積來表示。)

      現在正在開始研究在不同轉速下由不平衡量產生的力的類型和進行評定哪一個對加工具有最大的沖擊。隨著刀具的增長,平衡題目成了更重要的考慮。

      剛度

      剛度很重要,而且刀具的總長度在這里也是一個題目。隨著更高主軸轉速的使用和在很多企業中在整個速度范圍內加工不同材料的需要,切削刀具的剛度已成了加工質量和加工能力中的重要因素。

      刀具夾持器是為了刀具繞中心旋轉而設計的,所以刀具和夾持器的組合在加工載荷下的剛度很重要。刀具夾持器的設計應該是在公差答應的條件下盡可能的結實(魯棒)和盡可能的短。

      液壓刀具夾持器

      液壓刀具夾持器能保證剛度和自然平衡,而且它直接沿著自己的中心線夾持刀柄。就它們的本性而言,液壓夾頭將夾持刀具的整個直徑和長度,而且形成一根在具體刀具上它所能找到的軸線。

      液壓夾持器依靠夾持器金屬壁在液體壓力下均勻地壓縮。它們以相對薄的收縮內套筒往夾緊刀具為特點。為了使夾持器夾緊,操縱者插進刀具并用Allen板手轉動操縱螺桿。轉動的螺桿使活塞移動,迫使液壓流體進進夾持器本身和內部套筒之間的空隙中,由于轉動的螺桿所產生的液體壓力是預先設定的?梢赃_到的夾緊壓力為21MPa或更大。

      液壓刀具夾持器可以減少任何轉速上的振動,由于夾持器的油腔提供自然的阻尼。預先設定刀具也很簡單。下調刀具并調整調節螺桿向上或向下,直至它達到適當的長度。然后轉動操縱螺桿以夾緊刀具。

      相對薄的內套筒可以使液壓刀具夾持器保證360°夾緊刀柄。但是,這樣的套筒可能也限制夾持器在輕銑和鉆削工序上的應用。鉆削時,液壓的或收縮配合的夾持器都能滿足使用。假如是銑削,那最好用收縮配合的夾持器,由于它具有較高的動態剛度。在鉆削的情況下,橫向載荷低,要傳遞的是軸向推力和扭矩,而液壓夾持器干這個是完全勝任的。在銑削中,你必定碰到彎曲的邊沿載荷,液壓夾持器在其油腔內具有很大的柔性和某些順從性。內部套筒也可能被采用帶有諸如削平刀柄的刀具所損壞。夾緊系統的靈敏度和記憶性要求使用圓柱形的切削刀具。由非圓柱形刀柄所引起的彈性套筒的不適當或不均勻的變形可能使它在夾頭連續使用之后很難再裝載切削刀具。

      收縮配合的刀具夾持

      收縮配合的刀具夾持是近年已經談論得很多的技術,而且具有很好的理由:該系統比起其他任何技術更接近于提供集成刀柄的刀具。這就導致很低的振擺和很高的夾緊力,一個既可以改善加工精度和工件表面質量,同時還有助于延長刀具壽命的組合。

      系統采用與裝配過程用的過盈配合相同的原理。夾持器采用電感應加熱,或其他方法加熱。當它達到315℃~425℃時,有意做小的夾持器內徑擴大,是以答應刀具插進。當夾持器冷卻時,它便以很大的力同心地央緊刀具。人們喜歡收縮配合夾持系統的簡單性。但并非每個人都這樣以為。加熱夾持器所需的機器不僅意味著很大的基本投資,而且也提出了安全和其他題目。對它有比買機床還多得多的題目。有通盤問慮的題目,有安全題目。你把這些夾持器加熱到315~425℃,我已見過有些人被嚴重燒傷,F在已經做了很多革新,諸如圍墻和具有檢測夾持器有多熱的傳感器等。

      用優質硬質合金刀具收縮配合系統也工作得很好。沒有什么東西可以優于收縮配合系統的精度。但是你需用優質硬質合金刀具,你可能碰到往掉高速鋼刀具的麻煩。帶有毛刺的刀具可能也是現存的題目。然后是刀具的預置題目。收縮配合系統的供給商正在為這些題目提供解決辦法。

      T.M.Smith公司不以為收縮配合設備的前期投資的本錢是個特殊題目。假如我們把它看作是資產負債表的題目,那么收縮配合機是基本投資,這是可以在整個時期銷帳的。但是我們仍然可以看到,液壓夾持器本身比收縮配合夾持器貴30%70%(這不包括收縮配合機的前期投資本錢)。

      液壓機械夾頭

      精密加工用的刀具夾持方法的前三種選擇是朝銓公司開發的機械液壓夾頭。該系統用液壓往驅動夾頭的機械。一旦驅動以后,在夾頭中就不再有液體壓力了。

      液體壓力只是用來支持外套筒圍繞內套筒轉,該內套筒就是夾頭孔,外套筒沿著夾頭內2°錐面滑動,所以它滑過整個內套筒,從而引起內套筒往壓縮刀柄的圓周。這種夾頭具有很厚的壁,使得它可以用于粗銑加工,這對液壓夾頭而言,可能是一個剛度的挑戰,由于液壓夾頭有一相對薄的壁,它被液壓流體包圍住,剛度相對低些。

      用戶插裝刀具是通過一只手或氣動泵連接到夾頭上的兩個氣門上來實現的。每個夾頭上有兩個相互為180°對置的氣門。使用者把在泵上的閥置于“夾緊”的位置上,插進刀具并開始打氣。實際上可以用一只手把刀具裝在Z軸上,同時用另一只手打氣。

      該系統在45kN的壓力時動作。達到這個壓力時,使用者可以停止打氣,把閥放回到中間“0”位上并對夾頭卸荷,這時在刀柄上有42MPa的夾持壓力。該系統具有可與液壓及收縮配合的刀具夾持器相比的同心度和夾持力。在距端面約3倍于孔徑處的TIR小于0.0025mm。而且夾緊力是均勻地分布在整個刀柄的四周。

      該系統屬于低維護系統。夾頭沒有磨損件,唯一要求是保持孔的清潔。唯一可能要求維護的是在氣泵操縱手把上的噴嘴,F在正在用復合材料來制造噴嘴,以便當使用者擰得過緊時,不至于損壞夾頭上的氣門。更換操縱手把上的噴嘴要比重做一個夾頭要便宜和輕易得多。

      但這個系統并不是對每人都適用的。有一些很大的航天和HV、AC客戶,他們正在唯一地使用夾頭。由于設備的前期投資的本錢,這可能不是什么題目。

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