刀具夹头与刀具径跳的控制

(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。 (张宪 编译 ) 上半年德国机床产业好于预期 据 德 国机 床 制 造 商 协 会 (VDW)介绍，2010年上半年，德国 机床产业的各项经济数据均好于预 期 ，尤其是市场需求再次出现增 长。机床订单同比增长58％，其中 本土订单增长51％，海外订单增长 6l％。尤其是加工技术，受益于订 单增加而增长了75％。产能利用率 和订单量已从最低谷逐步复苏。机 床出口也在二季度停止下滑。尽管 如此，德国机床产量仍然同比下降 了20％。机床产量在今年仍会表现 为负增长。 刀具夹头与刀具径跳的控制 在钻削和铣削加工中，控制径向跳动对于延长刀具寿命和降低每孔加工成 本至关重要。 许多加工车间在做出购买刀具 夹头的决策时，都缺少客观的评价 MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1715039442730_0。它们表示 ，每一家刀具制造 商都宣称自己的产品具有很高的精 度 、完美的平衡和强大的夹持力。 由于可供选择的刀具夹头如此之 多，各种产品之间的区别又如此之 小，以至于大多数购买决策只能根 据产品价格来定夺。 但是，采用价格作为标准忽略 了径向跳动(以下简称径跳)对加_丁 精度和刀具寿命的重要影响。许多 加工车间和零件制造商并不清楚 ， 他们可以通过使用正确的刀具夹 头，大大减轻径跳的不利影响。 在确定可以接受的径跳值时， 需要考虑两个重要变量：刀具尺寸 和材料成分。对于直径大于20mm 的刀具，0．0127mm的径跳可能不会 影响加工性能和刀具寿命。然而， 对于直径更小的刀具来说，可能需 要更小的径跳值才能满足加工要 求。 刀具材料也至关重要。例如， 整体硬质合金钻头可以达到比高速 钢钻头更长的刀具寿命 ，但前提条 件是必须严格控制径跳。 2 在BIG Kaiser精密刀具公司进 行的一次非正式用户调查中，大家 公认，0．0127mm是可以接受的径跳 值。该公司决定对不同的刀具进行 试验 ，以评估这一标准是否合理。 图1是在日本大昭和精机公司技术 中心进行的钻削试验数据(切削条 件见表 1)。每种钻头都在相同条件 下进行试验，每次评估只考虑径跳 变化 表1 钻削试验条件 试件材料 1055钢 表面切削速度(硬质合金) 76m／min 表面切削速度(高速钢) 27m／min 进给率 O．1mm／r 钻孔深度(3D) 12mm 钻孔深度(5D) 15mm 钻头直径 3mm ⋯ ’ ⋯ 州 日 梅 ⋯ 1'_|_． 餐 ⋯ ，、 拯 、 ～ 0()【] 0．(116 n0lO 0．015 径跳误差T豫 (1nft1) ■■■■●●■■■■一 ∞■ ■■ 硬质合金 高速钢 高速钢 (3D) (3D) ‘5D) 图1刀具径跳对孔加工生产率的影响 第一支直径3ram的整体硬质 合金钻头的径跳值为0．O02mm，在 主切削刃出现0．2ram的磨损(此时 可认为该刀具寿命完结)之前，共加 工了 148个深度为 3倍孔径的孔。 第二支直径3mm的整体硬质合金 钻头径跳值为0．O05mm，在相同的 切削条件和刀具寿命标准下，只加 工了125个孔 。此后 ，又用径跳值 为0．01IllH1和0．O15mm的硬质合金 钻头进行了两次钻削试验，结果都 表明，刀具寿命随着径跳值的增大 而缩短。 第二个试验采用与t述相同的 4种径跳值 、直径3ram的高速钢钻 头加工孔深为3倍孔径的孑L。第i 个试验与前两个试验条件相同，只 是采用直径 3mm的内冷却高速钢 钻头加工孔深为5倍孔径的孔。 分析试验结果，可得出以下两 点结论 ： (1)硬质合金刀具对因径跳而 导致刀具寿命缩短的敏感度最高。 当 径 跳 值 从 0．【)l5ram减 小 到 0．O02mm时 ，整体硬质合金钻头的 刀具寿命提高了2倍。需要注意， 在我们的调查中，刀具用户认为， 0．O127mm的径跳值是可以接受的 (平均值)。 (2)高速钢刀具对因径跳而导 致刀具寿命缩短的敏感度略低于硬 质合金刀具。当径跳值从0．O15mm 减sl,~t 0．O02mm时，高速钢刀具寿 命提高了1_3倍。内冷却高速钢刀 1f静 、 、 } 莩 ＼ 锯60 槽 ＼ 面：40 R ＼--- 。 ) I l l } l I l 茎 譬 喜 耋 室 径跳值 (m n) 图2径跳对硬质合金和高速钢试验刀 具平均综合寿命的影响 具对径跳的敏感度更低，当径跳值 减小时，其刀具寿命只提高了60％。 如果钻头的转动与其中心线不 同心，就会在其最高的刃带上产生 较大的径向切削力，造成钻头单边 磨损量加大。基于对硬质合金和高 速钢刀具进行切削试验的平均结 果，这一磨损量数据被用于确定刀 具寿命效率。利用该数据 ，就可以 根据径跳值来确定刀具寿命效率。 因此 ，径跳为“0”(理论 )就等于刀 具寿命效率为100％(图2)。当径跳 值为“可接受的平均值”0．O127mm 时，刀具寿命降低了一半。 许多加工车间使用的刀具夹头 (如三爪钻夹头)使钻头径跳值超过 了0．025ram。根据前述试验数据外 推计算，径跳值为0．025mm的整体 硬质合金钻头可加工的孑L数还不到 25个。而使用质量更高(当然价格 也更贵)的钻夹头，则可以大幅延长 刀具寿命。 可以用每孔加工成本来衡量由 此节省的成本。在 述试验中使用 25 的整体硬质合金钻头(直径3ram)平 均每支价格为40美元，在径跳值为 0．O02mm时可加工148个孔，即每孔 加工成本为0．27美元。因此，制造 商愿意接受0．0127ram的径跳值，相 当于放弃了一个将钻削成本削减 66％的机会。 大昭和精机还通过类似的切削 试验(切削条件见表2)，米确定一支 直径 10iIlm的4刃硬质合金寺铣刀 的铣削长度(图3)。当径跳值从 0．O15mm减小到O：O02mm时 ，刀具 铣削长度从 l61m增加到21lm，即 刀具寿命延长了30％。原因很清 楚，当径跳仅为0．O02mm时，切削力 均匀分布在每个切削刃上；反之，当 径跳为0．015mm时，过大的切削力 将会作用在仅仅一个切削刃上。较 小的径跳有助于使每个切削刃的切 深保持稳定，并获得更好的表面光 表2 铣削试验条件 试件材料 1055钢 表面切削速度 90m／min 主轴转速 2．900r／rain 进给率 0．1ram／每刃 进给速度 1．180mIrdmin 轴向切深 15ram 径向步长 O．1lllm 图3 刀具径跳对4刃硬质合金立铣刀 的影响 洁度。 应该根据刀具的不同直径来确 定允许的径跳误差值(TIR)。图4 显示了刀具直径与径跳值之间的稳 定关系(它是切屑负荷的函数)。该 数据将0．0127mm作为直径12．7mm 刀具允许径跳误差值(Tin)的起点， 据此可以计算出直径更小的刀具及 其切屑负荷对应的允许TIR值。例 如，如果用一把直径 1．588mm的3 图4对应于刀具直径和切屑负荷的最 大径跳值 图5主轴径跳误差的测量 刃立铣刀对模具钢进行成形铣削， 其有效切屑负荷为0．O05mm／每刃， 这就意味着，当径跳值为0．0127mm 时，刀具将会失去平衡。 在老旧过时或已经磨损的机床 主轴上 ，即使是质量最好的弹簧夹 头也难以发挥出优良的性能。加工 车问应该定期对机床主轴进行检 测，以及时发现潜在问题，并能缩短 加工辅助时间，减少对主轴 的维 修。检测径跳误差的一种常用的简 便方法是用精密杠杆表的直测杆靠 在主轴圆周面上，然后缓慢转动主 轴，量表示值的最大变化量即为主 轴的径跳误差(图5)。 动态径跳测量装置对于高速加 工非常有用。当主轴低速旋转时， 离心力对径跳几乎没有影响或影响 极小。但是，随着主轴转速增大，离 心力也会以指数级数成倍增大 ，并 可能造成极大的径跳误差。典型的 动态径跳测量装置有一个精密光 点，可在x轴和Y轴上对刀具进行 激光对准精密测量。大昭和精机最 近对一些高速主轴的测试表明，许 多机床尽管在500r／rnin的低转速时 精度很高，但在30，000r／min的高转 速时径跳误差超过了0．025mm。 如果加工车间希望提高刀具寿 命，那么许多车间认为可以接受的 径跳误差实际上是不可接受的。将 购买刀具夹头的决策仅仅建立在产 品价格基础上的制造商，最终可能 需要根据刀具寿命和每孔(件)加工 26 成本，选择价格更高、质量更好的刀 具夹头。 链接：可控制刀具径跳的弹簧 夹头 希望控制径跳的加工车间应该 密切关注刀具夹头的一些特点，如 锥面接触、夹头锥角以及对应的夹 持范围。 在一个典型的弹簧夹头系统 中，夹头锥角为16。 ，夹持范围为 1mm。但是 ，获得这一夹持范围的 代价是减小了径跳控制和夹持力。 例如，犬昭和精机的BIG Mega New Baby弹簧夹头(图6)采用了12。的 夹头锥角 ，相应的夹持范围仅为 0．5mm，但与锥角更大的夹头相比， 它具有更好的径跳控制和夹持力。 该公司的另一种产品BIG Mega E 弹簧夹头(图7)用于夹持立铣刀，其 夹头锥角仅为8。，因此具有更大的 夹持力、更好的刚性和更小的径跳， 可实现稳定的高速铣削。用于夹持 微型刀具的BIG Mega Micro弹簧夹 图6 BIG Mega New Baby弹簧夹头 虱7 BIG Mega E弹簧夹头 也采用了较小的夹头锥角，为了 空制径跳，该系列夹头的直径规格 曾量为0．1illm。 提高夹持刀具的同心度和增大 持力也能减小刀具的径跳。例 (口，大昭和精机的Mega ER Grip型 A级弹簧夹头系统的夹持直径尺 十分 别 为 2-3mm (尺 寸 增 量 1．1mm)、3-6mm(尺寸增量0．25ram) 6-20mm(尺寸增量0．5mm)。这 中夹头较小的夹持范围使其与刀具 丙部具有更好的同心度，从而减小 『．径跳。该夹头体增大了内锥面的 妾触长度 ，从而减小了夹头的悬伸 ∈度；与类似产品相比，其夹持范围 乜较小。这些特点提高了夹头的刚 董、夹持力和径跳精度。该系统的 头体经过预平衡，围绕外圆周分 _一有一些锥孔，可通过螺钉精确调 平衡；而且它采用了双重接触界 。 大昭和精机保证 ，其所有型号 簧夹头的径跳误差在4倍刀具直 至处不大于3 IX ITI，在夹头端部不大 于 1 m。 应用实例：为了控制径跳，有时 需要更换刀具夹头。例如，美国一 家模具制造商Ideal Tool公司在对 材质为S7工具钢的冲压模具进行 硬 铣 削 时 ，径 跳 达 到 0．025— 0．038mm。该公司在换用大昭和精 机 的 HSK—A63 Mega New Baby弹 簧夹头后，径跳降至0．0127mm。 Ideal Tool公 司 采 用 Makino V55立 式加丁 中心 (HSK—A63主 轴 )，以 20，000dmin的 转 速 和 3810mm／min的进给量进行加工。 与大多数模具加工车间一样，该公 司也是以多品种、小批量加工为主， 加工时需要大量更换工装。采用新 夹头后，更换夹头的时间由过去的 5—10分钟缩短到30秒以内。由于 加工每件模具最多时需要更换 10 次夹头，因此对提高生产率的作用 是显而易见的。 (张宪 编译) 第四届现代切削与测量工程国际研讨会将于1 2月在北京举行 为了推动制造领域的科技发展，国家 自然科学基金委员会、国家精密 工具工程技术研究中心、成都工具研究所定于2010年 12月lO一12 Et在北 京举办“第四届现代切削与测量工程国际研讨会(IsMcME 2010)”。 会议期间，将举办大会主题报告会、专题技术报告会、学术论坛、企业 发展论坛、先进装备应用技术交流会等活动。会议内容包括：现代切削及 测量工程领域的技术发展趋势、最新切削与测量基础理论研究、先进切削 刀具和测量仪器的开发与制造技术、先进切削及测量装备在制造领域的应 用技术、我同工具工业发展战略研究、国际工具市场的现状与预测。 主办单位：国家 自然科学基金委员会，国家精密工具工程技术研究中 心，成都工具研究所； 发起组织：中国机械工程学会生产工程分会切削专业委员会 ，中国仪 器仪表学会机械量测试仪器分会，中国机械工业金属切削刀具技术协会， 中国机床工具工业协会工具分会； 承办单位：北京信息科技大学，工具技术杂志社； 协办单位：上海交通大学，山东大学，北京工业大学，北京理工大学，清 华大学，北京航空航天大学，山特维克可乐满，山高刀具(上海)有限公司， 伊斯卡刀具同际贸易(上海)有限公司，雷尼绍公司，爱德华测量设备有限 公司，成都成量_1 具集团有限公司，哈尔滨量具刃具集团有限责任公司，上 海工具厂有限公司，株洲钻石切削刀具股份有限公司，上海汽轮机厂，沈阳 黎明航空发动机有限责任公司，东风汽车公司。 27。