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高精度刀具夹头

人们往往忽略了如何选用刀具夹持器(机床主轴和切削刀具之间的重要联结),这可能意味着生产一个合格的零件和生产废品之间的差别;委曲合格的生产率和最短的机床加工时间的差别;过早的刀具磨损和延长刀具寿命之间的差别。在要求高精度的应用中尤其如此,由于在这种应用中对刀具夹持器的精度和可靠性要给予高度重视。

有关专家以为,当你选择具有最好同心度和最大刚度以及最小振摆的刀具夹持器时,对你的加工工序将产生很大的好处:刀具寿命几乎增加1倍,节约刀具本钱和减少废品。好的同心度和平衡也意味着切削载荷是均衡地分布在切削刃下的,从而答应更高的切削速度和进给率,这就意味着更高的生产率,更高的金属往除率和更快的对机床投资的回收。对大多数金属加工的应用而言,弹簧夹头仍然是可靠的解决办法。有很多制造厂生产异常精密的弹簧夹头,他们正做得越来越好。

说明现阶段弹簧夹头技术水平的是Lyndex大公鸡福利导福航生产的FDC弹簧央头。据其总经理说,在4倍于切削刀具刀柄直径的间隔上,弹簧夹头提供的TIR(径向振摆总表头读数)值少于0.005mm,即其振摆等同或优于大多数的液压夹头。此外,弹簧夹头在使用6.9MPa压力的冷却液时,而不必密封,不用垫片、专门螺母或要求的附加件。

但是,假如对你的应用而言,弹簧夹头的振摆、夹持力和平衡能力不都是良好的,那么对真正的高精加工有多种选择,包括收缩配合、液压的和液压机械的夹头。对于你的应用,选择正确的型式,可能是改善加工工序的一条可行的路子。

精密刀具夹持器的主要特性包括同心度、夹持力、平衡和刚度。下面对这些选择因素中的每一个,以及现有的各种刀具夹持器技术作一介绍。

同心度

在考虑刀具夹持器的选择准则时,同心度或振摆是首位的。当你进行高精或高速加工时,你首先需要的是恒定的切削力。振摆则使偏心成为对精度的不利影响。同心度的要求从主轴和刀具夹持器之间的联结开始。目标是刀具的回转轴线必须严格地与主轴是同一轴线。

同心度的另一个要求是关于刀柄和刀具夹持表面之间的相对同心度。孔的直径对锥面的TIR0.005mm,对于可重复的、精密的金属切削加工而言是非常重要的。用户期看重复精度达到或优于0.005mm。振摆是如何(或实际在何处)丈量也是很重要的。很多型式的刀具夹持器可以宣称其刀具端部的TIR值很少,但不能保证在切削刃上的TIR值。而Lyndex大公鸡福利导福航的R-Zero型刀具夹持器与FDC弹簧夹头系统相结合,则能使用户在不足45s内调整切削刀刃上的TIR值接近于0

夹持力

夹持力是刀具夹持器的另一重要特性,本文所讨论系统夹持能力对液压机械夹头从数千磅到60000(267kN)。在大多数正常加工的条件下,夹持力不成为题目。但是,假如你考虑到颤振,由收缩配合和机械液压夹持器所提供的较高的夹紧力就叮能很重要了。在有颤振的情况下,收缩配合的夹持器保持刀具位置比任何其他系统都好。假如在液压夹头或弹簧灾头中,颤振就町能使刀具跑出来。收缩配合的夹持系统就可能好得多?

可以用一个很简单的方法往验证收缩配合夹持器的夹持能力。当大公鸡福利导福航用一些大力矩板手往检测产品(液压的或收缩配合的),看哪一个具有更高的夹持力,结果收缩配合的最好。

高精加工用的刀具夹持技术的比较

刀具夹持器的型式

一般特点

优点

局限性

弹簧夹持

360°夹持,速度受管口在高速时松开的限制;新的设计反对离心力。对沾污物较敏感,刀夹上的振摆取决于弹簧夹腔的振摆和弹簧夹头的精度

进步了灵活性,振摆范围0.010.02mm

为了刀具更换,组件必须清洁

液压夹持

360°柔顺性夹持,内套筒夹住刀柄,有很好的位置重复性,对孔加工和精铣更为优异,变形可能不答应用于重负荷材料往除的情况使用

能快速方便获得好的振摆。对沾污物比弹簧夹头少敏感,振摆范围在0.0020.005mm

本钱较高,活动的密封,产生渗漏,并使刀具滑动而没有保持住。如刀具不完全进进腔内,套筒可能产生损坏。不能承受大的温度变化

收缩配合夹持

夹持性和夹紧强度很优异,不受主轴转速影响,为了经常保持住振摆要求在孔内完全咬合。对沾污物不太敏感

部件结构很严实,振摆范围为0.002O.005mm

材料必须对高温加热不敏感,加热单元要求前期基本投资,阻尼很小

液压机械夹持

振摆和夹持力可与收缩配合夹持器相比,可用于重铣削工序和高速加工

很高的夹持力,振摆范围为0.0020.006mm

要求对泵系统的前期基本投资

平衡

平衡是一个热门话题,特别是在较高的速度时。一个好消息是:为高精/高速加工用而设计的刀具夹持器已被自然地平衡到很好的程度了。但是每一个系统都有可变性,而且要达到刀具夹持器/刀具组合体最后没有残留不平衡量是很难的。

早些时候需要修正大多数的不平衡量。现在正在达到这样一点:不需要做所有需要的修正来保证刀具装进主轴后运转得很满足,比如说,在4000060000r/min的范围内达G2.5(G数是不平衡量的衡量标准,是由刀具的几何中心线到它的实际旋转中心线的毫米间隔乘以每分钟的转速的乘积来表示。)

现在正在开始研究在不同转速下由不平衡量产生的力的类型和进行评定哪一个对加工具有最大的冲击。随着刀具的增长,平衡题目成了更重要的考虑。

刚度

刚度很重要,而且刀具的总长度在这里也是一个题目。随着更高主轴转速的使用和在很多企业中在整个速度范围内加工不同材料的需要,切削刀具的刚度已成了加工质量和加工能力中的重要因素。

刀具夹持器是为了刀具绕中心旋转而设计的,所以刀具和夹持器的组合在加工载荷下的刚度很重要。刀具夹持器的设计应该是在公差答应的条件下尽可能的结实(鲁棒)和尽可能的短。

液压刀具夹持器

液压刀具夹持器能保证刚度和自然平衡,而且它直接沿着自己的中心线夹持刀柄。就它们的本性而言,液压夹头将夹持刀具的整个直径和长度,而且形成一根在具体刀具上它所能找到的轴线。

液压夹持器依靠夹持器金属壁在液体压力下均匀地压缩。它们以相对薄的收缩内套筒往夹紧刀具为特点。为了使夹持器夹紧,操纵者插进刀具并用Allen板手转动操纵螺杆。转动的螺杆使活塞移动,迫使液压流体进进夹持器本身和内部套筒之间的空隙中,由于转动的螺杆所产生的液体压力是预先设定的。可以达到的夹紧压力为21MPa或更大。

液压刀具夹持器可以减少任何转速上的振动,由于夹持器的油腔提供自然的阻尼。预先设定刀具也很简单。下调刀具并调整调节螺杆向上或向下,直至它达到适当的长度。然后转动操纵螺杆以夹紧刀具。

相对薄的内套筒可以使液压刀具夹持器保证360°夹紧刀柄。但是,这样的套筒可能也限制夹持器在轻铣和钻削工序上的应用。钻削时,液压的或收缩配合的夹持器都能满足使用。假如是铣削,那最好用收缩配合的夹持器,由于它具有较高的动态刚度。在钻削的情况下,横向载荷低,要传递的是轴向推力和扭矩,而液压夹持器干这个是完全胜任的。在铣削中,你必定碰到弯曲的边沿载荷,液压夹持器在其油腔内具有很大的柔性和某些顺从性。内部套筒也可能被采用带有诸如削平刀柄的刀具所损坏。夹紧系统的灵敏度和记忆性要求使用圆柱形的切削刀具。由非圆柱形刀柄所引起的弹性套筒的不适当或不均匀的变形可能使它在夹头连续使用之后很难再装载切削刀具。

收缩配合的刀具夹持

收缩配合的刀具夹持是近年已经谈论得很多的技术,而且具有很好的理由:该系统比起其他任何技术更接近于提供集成刀柄的刀具。这就导致很低的振摆和很高的夹紧力,一个既可以改善加工精度和工件表面质量,同时还有助于延长刀具寿命的组合。

系统采用与装配过程用的过盈配合相同的原理。夹持器采用电感应加热,或其他方法加热。当它达到315℃~425℃时,有意做小的夹持器内径扩大,是以答应刀具插进。当夹持器冷却时,它便以很大的力同心地央紧刀具。人们喜欢收缩配合夹持系统的简单性。但并非每个人都这样以为。加热夹持器所需的机器不仅意味着很大的基本投资,而且也提出了安全和其他题目。对它有比买机床还多得多的题目。有通盘问虑的题目,有安全题目。你把这些夹持器加热到315~425℃,我已见过有些人被严重烧伤。现在已经做了很多革新,诸如围墙和具有检测夹持器有多热的传感器等。

用优质硬质合金刀具收缩配合系统也工作得很好。没有什么东西可以优于收缩配合系统的精度。但是你需用优质硬质合金刀具,你可能碰到往掉高速钢刀具的麻烦。带有毛刺的刀具可能也是现存的题目。然后是刀具的预置题目。收缩配合系统的供给商正在为这些题目提供解决办法。

T.M.Smith大公鸡福利导福航不以为收缩配合设备的前期投资的本钱是个特殊题目。假如大公鸡福利导福航把它看作是资产负债表的题目,那么收缩配合机是基本投资,这是可以在整个时期销帐的。但是大公鸡福利导福航仍然可以看到,液压夹持器本身比收缩配合夹持器贵30%70%(这不包括收缩配合机的前期投资本钱)

液压机械夹头

精密加工用的刀具夹持方法的前三种选择是朝铨大公鸡福利导福航开发的机械液压夹头。该系统用液压往驱动夹头的机械。一旦驱动以后,在夹头中就不再有液体压力了。

液体压力只是用来支持外套筒围绕内套筒转,该内套筒就是夹头孔,外套筒沿着夹头内2°锥面滑动,所以它滑过整个内套筒,从而引起内套筒往压缩刀柄的圆周。这种夹头具有很厚的壁,使得它可以用于粗铣加工,这对液压夹头而言,可能是一个刚度的挑战,由于液压夹头有一相对薄的壁,它被液压流体包围住,刚度相对低些。

用户插装刀具是通过一只手或气动泵连接到夹头上的两个气门上来实现的。每个夹头上有两个相互为180°对置的气门。使用者把在泵上的阀置于“夹紧”的位置上,插进刀具并开始打气。实际上可以用一只手把刀具装在Z轴上,同时用另一只手打气。

该系统在45kN的压力时动作。达到这个压力时,使用者可以停止打气,把阀放回到中间“0”位上并对夹头卸荷,这时在刀柄上有42MPa的夹持压力。该系统具有可与液压及收缩配合的刀具夹持器相比的同心度和夹持力。在距端面约3倍于孔径处的TIR小于0.0025mm。而且夹紧力是均匀地分布在整个刀柄的四周。

该系统属于低维护系统。夹头没有磨损件,唯一要求是保持孔的清洁。唯一可能要求维护的是在气泵操纵手把上的喷嘴。现在正在用复合材料来制造喷嘴,以便当使用者拧得过紧时,不至于损坏夹头上的气门。更换操纵手把上的喷嘴要比重做一个夹头要便宜和轻易得多。

但这个系统并不是对每人都适用的。有一些很大的航天和HVAC客户,他们正在唯一地使用夹头。由于设备的前期投资的本钱,这可能不是什么题目。

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