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高速加工中心刀柄工具系統

    文章來源:    發布時間:2015年05月15日    點擊數: 次    字號:

    高速加工工具系統通常指由切削刀具、刀柄和夾頭構成的工具體系,三者關系是刀具通過夾頭裝人刀柄之中,刀柄與機床主軸相連。高速加工工具系統對成型后的工件尺寸精度和表面質量影響顯著,同時也影響到高速切削可靠性及機床加工性能,已成為高速切削系統的關鍵技術。

    1 BT工具系統

    常規數控機床通常采用7:24錐度實心長刀柄,目前共有五種規格且已實現標準化即NT(傳統型)、DIN69893(德國標準)、IS07388/1(國際化標準)、ANSI,ASME(美國標準)和BT(日本標準)。其中BT(7:24錐度)刀柄結構簡單,成本低以及使用便利而得以廣泛應用。

    BT刀柄與機床主軸連接時僅靠錐面定位,高速條件下因材料特性和尺寸差異造成主軸錐孔和配合的刀柄同時產生不均勻變形量,其中主軸錐孔的擴張量大于刀柄,導致刀柄和主軸的配合面產生錐孔間隙。7:24標準錐度長刀柄僅前段70%與主軸保持接觸,而后段配合中存在微小間隙,從而導致刀具產生徑向圓跳動,破壞了工具系統的動平衡。在拉緊機構作用下,BT刀柄沿軸向移動,削弱刀柄軸向定位精度,造成加工尺寸誤差。大錐度還會限制自動換刀ATC(Automatic Tool Changing)過程高速化,降低重復定位精度和造成刀柄拆卸困難。

    由于傳統的機床/刀具連接的結構和功能缺陷,已不能滿足高速加工的高精度、高效率及靜、動剛度,動平衡性等要求。國外廠家和研究機構不斷開發推出各種新型結構刀柄如德國HSK系列、美國KM系列、日本Big-Plus和Showa D-F-C系列等。

    2 國外新型工具系統研究狀況

    2.1 HSK工具系統

    HSK(德文Hohl Shaft Kegel縮寫)刀柄是由德國阿亨工業大學機床實驗室研制的一種雙面夾緊刀柄,為1:10(2°51'78")錐度,采用錐面(徑向)和法蘭端面(軸向)雙面定位和夾緊。工作時空心短錐柄與主軸錐孔能完全接觸,起到定心作用,保證主軸的連接剛性。在拉緊機構作用下拉桿向右移動,此時刀柄前端錐面的彈性夾爪會徑向擴張,同時夾爪的外錐面與空心短錐柄內孔的30°錐面開始接觸配合。此時空心短錐柄出現彈性變形,其端面與主軸端面靠緊,消除HSK刀柄法蘭盤與主軸端面問問隙(約0.1mm)。

    HSK工具系統突出特征是采用端面和錐面同步接觸雙重定位,保證配合可靠性。類似BT錐柄,HSK的徑向精度取決于錐面接觸特性(二者的徑向精度最高可達0.2?m)。HSK接口的軸向精度取決于接觸端面,與軸向夾緊力無關,僅由結構決定,這與BT錐柄顯著不同。HSK刀柄的另一個特征是為空心錐柄,以較小夾緊力產生足夠彈性變形,空心薄壁的徑向膨脹量保持與主軸內錐孔變形對應??招谋窟€為夾緊拉釘提供了安裝位置,實現由內向外夾緊,空心柄部還可內置切削液。采用內夾緊方式可使離心力化為夾緊力,保證高速旋轉的刀柄夾緊可靠性。HSK刀柄特征之三是采用1:10的小錐度叮減小錐面部分的夾緊力,提高HSK接口的承載能力,同時又能夠保證錐部良好的定位作用。HSK刀柄與主軸連接結構與原理。

    2.2 KM工具系統

    KM刀柄是美國肯納(Kennametal)公司在1987年開發,為1:10錐度。在夾緊機構拉桿上設有兩個對稱的圓弧凹槽,該槽底為兩段弧形斜面。夾緊刀柄時,拉桿向右移動,鋼球沿凹槽的斜面被推出,卡在刀柄上的鎖緊孔斜面上。刀柄向主軸孔內拉緊后,薄肇錐柄產生彈性變形,使刀柄端面與主軸端面貼緊,實現錐面和端麗同時接觸雙面定位。

    KM系統也是1:10中空短錐柄,采用三點接觸和雙鋼珠鎖定的方式連接,使KM系統具有剛度高、精度高、裝夾快捷和維護簡單等優點。

    研究表明:與BT刀柄相比,HSK刀柄和KM刀柄具有更好的靜剛度和動剛度。KM刀柄的拉緊力、鎖緊力和動剛度值明顯大于HSK刀柄,整體性能最佳,三者結構及性能比較(表略)知,KM刀柄也存在—些不足如有較大過盈量,所需的夾緊力至少是HSK的3倍。

    2.3 Big-plus工具系統

    Big-plus刀柄由日本大昭和精機公司(Big-Daishowa Seiki)研制,并且成功申請了專利進行技術保護,與7:24刀柄可兼容互換。Big-plus工具系統結構利用主軸內孔的彈性膨脹鎖緊后補償問隙,縮小刀柄裝入主軸后與端面的間隙,保證刀柄與主軸端面配合。工作時,刀柄裝入主軸后在主軸端面與刀柄法蘭之間留有約0.02mm的間隙,當刀柄被拉緊后,主軸端口彈性擴張,實現錐面與端面的同時接觸,避免因主軸的擴張造成刀柄的軸向移動。Big-plus系統的主軸和刀柄制造精度非常高,保證系統的整體性能,被日本高速機床廠商普遍采用。

    與BT錐柄相比,Big-plus錐柄的彎矩承載能力因有一支撐直徑而提高,增強了裝夾穩定性。Big-plus工具系統剛性高,有衰減振動功能,在高速切削時可減少刀柄跳動,提高重復換刀精度,延長刀具的壽命,在高速加工領域可獲得較高加工精度。

    2.4 Showa D-F-C工具系統

    Showa D-F-C刀柄是由日本圣和精機株式會社開發的,其柄部為7:24錐度圓柱形,圓柱面上配有帶外錐面的錐套,錐套大端與刀柄本體的法蘭端面之間設有碟形彈簧,具有緩沖吸振和雙面定位效果。

    刀柄采用錐套碟形彈簧的組合式結構,通過移動錐套,可以補償錐部基準圓的微鼉軸向位置誤差,能可靠的實現雙向約束。當錐孔因離心力作用擴張時,在碟形彈簧的作用下,錐套產生軸向位移,補償徑向間隙,確保徑向精度。碟形彈簧還能衰減切削時的微量振動,有利于提高刀具的耐用度、改善加工表面質量;該結構設計還解決了HSK、KM、Big-Plus等雙面定位型結構在刀柄和主軸錐孔磨損后,錐面定位性能下降的問題。但是刀柄上錐套孔因離心力發生擴張,使Showa D-F-C柄部圓柱體出現間隙,徑向剛度和徑向位置精度有所下降。御淑堂毛孔哪種豐胸產品效果好外用減肥什么減肥產品效果好日霜哪個牌子的身體補水好眼線好用美白產品推薦

    2.5 Lock工具系統

    Lock刀柄是日本株式會社日研工作所開發出的7:24錐度雙面定位型結構。其柄部為圓柱體和圓錐體的組合,在該復合體上附帶錐套,錐套大端與刀柄本體的法蘭端面之間安置碟形彈簧,錐套小端通過細牙鎖母定位和鎖緊,Lock刀柄和BT刀柄結構區別。

    Lock最大特點是用端面、錐面和錐套內孔三處鎖緊,不同與兩面接觸高速刀柄僅端面與錐面接觸,三處鎖緊保證高速旋轉時系統可靠性。三面定位避免因離心力導致錐套孔與柄部體產生間隙,提高系統徑向剛度和徑向位置精度。但3-Lock刀柄錐套有開口縫,對動平衡精度有一定影響。

    3 存在主要的問題及對策

    3.1 工具系統動平衡精度

    高速切削條件下,工具系統微小的不平衡,都可能產生很大的離心力,引起機床和工具系統的急劇振動,導致加工工件表面質量惡化甚至損壞機床主軸等部件,故需要研究制定更高的動平衡標準。

    可以考慮開發在線自動動平衡裝置,使工具系統具有在線自動動平衡功能,保證裝配后的工具系統動平衡。研制在線故障預警功能的工具系統,使其在安裝或使用中出現故障時可報警,提高安全陛。刀柄結構設計盡量采用回旋對楊睦吉構,為動平衡提供理論條件?!?/p>

    3.2 刀柄和主軸錐孔的配合精度

    高速情況下,由于錐面存在著過盈應力,導致錐面變形嚴重,使工具系統的可靠性下降。刀具與主軸的聯結問題影響高速切削的可靠性及機床主軸的動平衡,已成為高速切削的薄弱環節之一。

    傳統刀柄和主軸錐孔的配合精度比較低,無法保證工具系統定位夾持精度和換刀重復定位精度。要加強對刀柄錐孔配合精度的研究,提高工具系統的可靠性。高速切削加工(HSM)不但要求刀具本身具有良好的剛性、柔性和動平衡性,同時對其與機床主軸連接的剛性和連接精度,及保持刀具的把持力和把持精度及其各方面都提出了嚴格的要求。較好的刀具與機床的連接性能不僅提高加工效率,而且能提高定位精度,從而提高加工質量。

    3.3 工具系統剛度和刀柄的制造精度

    工具系統剛度不足會導致刀具系統振動,常規工具系統剛度和精度無法滿足高速加工的要求,從而降低加工精度,并加劇刀具的磨損,降低刀具的使用壽命。高速加工的工具系統都采用過定位的接觸裝配方式,因此對接觸配合工作表面加工精度要求很高。選用合適的材料,合理的制造工藝以及生產過程的質量監控,提高刀柄制造品質是高速加工工具系統研究中要解決的實際問題。

    采用適合高速切削的刀柄,改變刀具和主軸錐孔的配合方式,在高速主軸設計中,目前對刀/軸聯結研究較成功的設計主要有兩種策略:—是改變7:24錐度標準采用替代型結構,如德國的HSK系列刀柄、美國的KM系列刀柄等。另一種是為降低成本,仍采用現有的7:24錐度而進行改進的刀柄結構。如美國的WSU系列刀柄,日本BIG-PLUS刀柄,3LOCK刀柄等,這種刀柄結構可改進現有結構主軸向高速化的過渡。

    4 國內新型工具系統的研究狀況

    我國對高速切削工具的研究結構和院校眾多,近年來不少學者采用有限元法研究高速工具系統接觸配合特性。清華大學李光輝等用有限元方法研究HSK-63 A型刀柄的過盈量、預緊力、旋轉速度、刀柄幾何尺寸參數對主軸,刀柄聯結性能的影響,優化其幾何參數。山東大學張松、艾興等采用非線性有限元法分析旋轉速度和過盈量對配合面接觸應力分布影響。江蘇大學王貴成利用有限元法建立系統動剛度模型,研究HSK刀柄與機床主軸接觸狀況,分析其剛度和抗彎曲能力特性。王貴成等還等對KM刀柄的錐面定位進行有限元模擬分析,研究其徑向位移、接觸應力和錐面間隙和卡緊力規律。廣東工業大學張伯霖等在對高速機床功能部件研究課題時,提出了高速工具系統是其核心和關鍵技術之一。成都工具研究所梁彥學、趙柄禎等對國外引進HSK工具系統標準、制造工藝及動平衡方面開展不少研究工作。

    我國眾多研究機構開展許多關于高速工具系統方面研究,但高速工具系統研究和開發基本處于理論階段,尚未自主研制出實用型高速切削刀柄。目前高速切削工具系統基本依靠國外進口,而且在如何選用進口高速工具系統方面,不少企業還存在一定盲目性和缺少必要參考。

    5 結束語

    高速切削加工在模具制造,航空航天制造等行業中應用日益增加,已成為現代制造的重要發展方向。高速加工工具系統是其中關鍵技術之一,高速加工工具系統的合理選擇和配置對加工效率和產品質量影響顯著,開展適宜高速切削加工的工具系統的研究具有十分重要的意義。國內外科研機構和工具制造企業不斷開發和推出新型系統,根據國內外研究和發展狀況,高速加工工具系統的未來研究和發展重點是:采用端面和錐面雙面定位方式為主流結構;用有限元等理論方法分析高速工具系統熱平衡,系統動、靜平衡及加長刀柄系統的刀柄,主軸接觸特性等;著重提高刀柄制造精度及系統剛度;此外在高速加工工具系統的標準化、系列化以及制造國產化仍需要開展大量的工作。

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