2 高速加工對工具系統(tǒng)的要求

1. 兩面定位工具系統(tǒng)
   
   目前市場上大量應(yīng)用的仍是7:24錐度的工具系統(tǒng)(ISO 、DIN、BT等工具系統(tǒng)均屬此類)。隨著切削高速化的發(fā)展，此類工具系統(tǒng)暴露出以下不足：①剛性不足，刀柄的法蘭面與主軸端面之間存在間隙；②ATC(自動換刀)的重復(fù)精度不穩(wěn)定，每次自動換刀后刀具的徑向尺寸都可能發(fā)生變化；③軸向尺寸不穩(wěn)定，主軸高速轉(zhuǎn)動時因受離心力作用內(nèi)孔會增大，使刀具軸向尺寸發(fā)生變化；④刀柄錐部較長，不利于快速換刀及機床的小型化。
   
   為解決上述問題，一些研究機構(gòu)和刀具企業(yè)開發(fā)了一種可使刀柄在主軸內(nèi)孔錐面和端面同時定位的新型聯(lián)接方式——兩面定位工具系統(tǒng)，其中最具代表性的是日本大昭和精機(BIG)開發(fā)的BIG-PLUS 工具系統(tǒng)和德國標(biāo)準(zhǔn)的HSK 工具系統(tǒng)。
   

   
   
   
   
   
   
   

   圖1

   圖2

   
   
   1. BIG-PLUS 工具系統(tǒng)
      
      圖1所示的BIG-PLUS工具系統(tǒng)仍采用7:24錐度，其結(jié)構(gòu)設(shè)計可減小刀柄裝入主軸時(鎖緊前)與端面的間隙(如40 “刀柄的間隙為0.2±0.005mm)，鎖緊后可利用主軸內(nèi)孔的彈性膨脹對該間隙進行補償，使刀柄與主軸端面貼緊。
      
      BIG-PLUS工具系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①增大了與主軸的接觸面積，增強了系統(tǒng)剛性，提高了對振動的衰減作用；②利用端面的矯正作用提高了ATC 的重復(fù)精度；③端面定位作用使系統(tǒng)軸向尺寸更為穩(wěn)定。
      
      由于BIG-PLUS 工具系統(tǒng)仍采用7:24錐度，鎖緊機構(gòu)也無不同，因此它與一般非兩面定位系統(tǒng)之間具有互換性，這也是BIG-PLUS 工具系統(tǒng)得以迅速推廣的一個重要原因。
      
      
   2. HSK 工具系統(tǒng)
      
      如圖2 所示的HSK工具系統(tǒng)采用1:10 錐度，刀柄為中空短柄，其工作原理是利用鎖緊力及主軸內(nèi)孔的彈性膨脹補償端面間隙。由于中空刀柄自身具有較大彈性變形，因此對刀柄的制造精度要求相對較為寬松。此外，由于HSK工具系統(tǒng)質(zhì)量較小，柄部較短，有利于高速ATC及機床的小型化。但另一方面，HSK工具系統(tǒng)的中空短柄結(jié)構(gòu)將使系統(tǒng)剛性和強度受到一定影響。

   
   
   兩面定位工具系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)工具系統(tǒng)的許多不足，必將成為工具系統(tǒng)的主流，得到越來越廣泛的應(yīng)用。
   
   
2. 工具系統(tǒng)的剛性與動平衡性能
   
   工具系統(tǒng)的剛性是切削加工中不容忽視的問題。剛性不足會引起工具系統(tǒng)振動或傾斜，影響加工精度和加工效率。同時，工具系統(tǒng)的振動會加快刀具磨損，甚至影響刀具及機床的壽命。
   
   
   
   
   

   圖3

   
   
   如果將刀柄桿部近似看作一實心圓柱剛體，則其剛性與圓柱截面直徑的4次方成正比，與圓柱長度的3次方成反比，即在質(zhì)量一定的條件下，刀柄越粗、越短，其剛性越強。
   
   除刀柄形狀外，還可通過改變刀柄結(jié)構(gòu)來增強剛性。如一般的銑刀夾頭雖然鎖緊螺母較粗，但由于螺母底部與刀柄本體之間存在間隙，使夾頭剛性損失很多。圖3所示為日本大昭和精機株式會社生產(chǎn)的MEGA-D倍力型銑刀刀柄。該刀柄的螺母鎖緊后，螺母底面與刀柄本體完全貼緊，因此大大增強了系統(tǒng)剛性。與普通銑刀刀柄相比，倍力型銑刀刀柄的切削效率可提高兩倍多。
   
   高速加工對刀具的動平衡性能也提出了很高要求；如果刀具動平衡性能不好，在高速轉(zhuǎn)動時將受到很大的離心力作用(與不平衡力矩及轉(zhuǎn)速的平方成正比)，容易使刀桿彎曲并產(chǎn)生振動。一般來說，彈簧夾頭、銑刀刀柄等可通過平衡修正來達到動平衡；但對于帶微調(diào)機構(gòu)的精譴頭，由于調(diào)節(jié)加工直徑時譴頭的重心也在改變，所以無法通過平衡修正來實現(xiàn)動平衡。
   
   
   
   
   

   圖4

   
   
   日本大昭和精機株式會社新推出一種可進行自動平衡補償?shù)淖l頭。其工作原理如圖4所示。譴頭內(nèi)部安裝了一個小齒輪和一個平衡塊，在調(diào)節(jié)直徑、使套管軸向外移時，平衡塊通過小齒輪的作用向相反方向移動，從而保持系統(tǒng)重心位置不變。
   
   
3. 刀柄把持力及把持精度
   
   銑刀柄對銑刀的把持力在銑削加工中十分重要。由于立銑刀刀刃帶有螺旋角，加工時切削力的軸向分力很大，若工具系統(tǒng)對銑刀的把持力不足，輕則影響加工精度，重則引起刀具及工件損壞，甚至造成安全事故。
   
   增強刀柄把持力的主要方法包括嚴(yán)格控制刀柄內(nèi)孔公差、保證足夠的把持長度、合理選擇刀柄材料、通過結(jié)構(gòu)設(shè)計有效實現(xiàn)將鎖緊力轉(zhuǎn)換為徑向把持力等。
   
   高速加工對工具系統(tǒng)的把持精度也提出了更高要求。例如：用三爪鉆夾頭夾持硬質(zhì)合金鉆頭進行高速(20000r/min )鉆削時，若鉆夾頭對鉆頭的把持精度不夠，會造成鉆頭折斷、工件報廢；在進行小、深孔鉸削精加工時，若工具系統(tǒng)把持精度不好，鉸刀前端跳動過大，會使加工出的孔徑超差。
   
   
   
   
   

   圖5

   
   
   提高工具系統(tǒng)的把持精度意味著必須“完全均勻”地把持刀具。對于不同的刀具，應(yīng)采用不同的解決方案：彈簧夾頭的工作原理為旋緊螺母一壓入套筒一套筒內(nèi)徑縮小一夾緊刃具，影響其把持精度的因素除了夾頭本體的內(nèi)孔精度、螺紋精度、套筒外錐面精度、把持孔精度及螺母的螺紋精度外，螺母與套筒接觸面的精度以及套筒的壓入方式都很重要。普通彈簧夾頭的壓入方式如圖5a所示，在鎖緊螺母過程中，螺母與套筒的接觸面間一直存在相對運動，這不僅使套筒受扭力作用，而且接觸面會產(chǎn)生磨損，很難獲得或保持良好的把持精度。日本大昭和精機株式會社設(shè)計生產(chǎn)的高精度彈簧夾頭的壓入方式如圖5b所示，它的螺母被分為內(nèi)、外兩部分，中間安裝了滾珠軸承，當(dāng)螺母接觸套筒的瞬間，螺母的內(nèi)側(cè)部分停止轉(zhuǎn)動，與套筒間無相對運動，螺母的鎖緊力完全轉(zhuǎn)化為對套筒的壓力，這種壓入方式可使夾頭獲得較大把持力和較高把持精度。

3 刀具智能化管理系統(tǒng)

4 結(jié)語