哈爾濱中天數(shù)控工具有限責(zé)任公司
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所選用的刀具夾頭是否合適，可能會(huì)決定加工出的是合格零件還是廢品。經(jīng)驗(yàn)法則是：對(duì)于特定的加工，應(yīng)盡可能縮短由刀具夾頭和刀具組成的工具系統(tǒng)的長度。
但是，如果被加工零件和零件形貌要求工具系統(tǒng)具有較長的懸伸量，又該如何處理呢？ 加長型刀具夾頭經(jīng)常應(yīng)用于航空零部件和模具的切削加工，在這兩個(gè)行業(yè)，許多加工都需要采用細(xì)長型的刀具夾頭。這些夾頭使刀具能夠到達(dá)夾持在機(jī)床牌坊上的大型工件，或伸入工件的型腔深處。雄克公司（Schunk Inc.）工具系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)理Jeff Keith說，“由于零件形狀或夾持的原因，有時(shí)你必須用又細(xì)又長的夾頭才能到達(dá)加工區(qū)，在這種情況下，通常就需要使用加長型刀具夾頭。某些模具的切削加工就是一個(gè)很好的例子，你必須將刀具向下伸入型腔深處才能完成加工?！?/span>
在刀具制造商中，對(duì)加長型刀具夾頭的定義各不相同，對(duì)其長度并沒有一個(gè)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)或限定。一些制造商認(rèn)為這種夾頭的長度應(yīng)在150mm以上；另一些制造商則將其定義為200mm以上。夾頭的最大長度通常為300mm或350mm，但也可能會(huì)更長。伊斯卡公司專用工具系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)成員Mike Gadzinski說，“通?？梢杂瞄L徑比來衡量。當(dāng)?shù)毒邐A頭的長度超過其直徑的8倍，它就開始變得不同尋常?！?/span>
加工適用性
加長型刀具夾頭可以應(yīng)用于大多數(shù)機(jī)床類型和大部分加工方式。Briney工具系統(tǒng)公司銷售工程師Justin London介紹說，“加長型刀具夾頭可以順利應(yīng)用于任何直線切削加工，如鉆削、鉸削和攻絲。這些加工都是沿著刀具夾頭的中心線作單軸直線運(yùn)動(dòng)，因此，大部分切削力是軸向力，其作用方向是傳入機(jī)床主軸。”
但在銑削和鏜削時(shí)，情況就變得比較復(fù)雜。BIG Kaiser精密工具公司銷售與設(shè)計(jì)副總裁Jack Burley說，“銑削和鏜削時(shí)，切削力的方向更多地從軸向變?yōu)閺较?，而徑向切削力將迫使主軸撓曲變形，從而引起振動(dòng)。因此，你唯一能做的就是通過降低切削速度和進(jìn)給量，并采用較小的切削深度，以減小撓曲力矩?！?/span>
一般而言，大懸伸量銑削只適用于金屬去除率較低的輕載切削。雄克的Keith說，“重載切削——如大量切除工件材料的大切削用量銑削——非常困難，你必須十分小心，防止刀具過載?！辈贿^，用加長型刀具夾頭可以有效地實(shí)現(xiàn)擺線銑削。擺線銑削的走刀路徑可以改變切削力，使徑向力減小，軸向力增大，而這意味著用戶可以提高切削用量?！币了箍ǖ腉adzinski說，“擺線銑削非常有效，它利用‘徑向減薄’切削方式，以一種圓周刀軌高速切除少量工件材料。由于切除的材料量少，因此可以減小加長型刀具夾頭的撓曲量?！?/span>
剛性的挑戰(zhàn)
加長型刀具夾頭面臨的主要挑戰(zhàn)是剛性問題。Rego-Fix刀具公司產(chǎn)品工程師David McHenry指出，“刀具夾頭從機(jī)床主軸前端的伸出量越大，其剛度損失也越大。由于懸伸量的增加，刀具的加工能力會(huì)隨之下降，刀具無法承受較大的徑向切削力、較高的切削速度或較大的切削深度，而且一般來說，你不得不降低進(jìn)給率?！?/span>
刀具夾頭與機(jī)床主軸之間牢固的聯(lián)接可以提高系統(tǒng)剛性。與采用單一錐面接觸定位的刀具夾頭不同，雙面接觸刀具夾頭采用錐面和底面同時(shí)接觸定位。BIG Kaiser的Burley說，“這種剛性的提高有助于支撐較長、較重的刀具，并減少因刀具夾頭的重量和徑跳而造成的各種問題?！?/span>
采用單件整體結(jié)構(gòu)可以為加長型刀具夾頭提供盡可能高的剛性和精度。通常，工具夾頭是用傳統(tǒng)的工具鋼（如4340鋼）制成。而作為一種替代材料，加長型刀具夾頭可以用重金屬（如鎢）制造。伊斯卡的Gadzinski說，“這種材料的密度更高，能夠減小彎曲和振動(dòng)。但由于重金屬可能昂貴得多，因此人們只在確有必要時(shí)才會(huì)使用這種材料?！?/span>
消除振動(dòng)
刀具夾頭材料的密度越大，其減振性能就越好。為了在不使用昂貴的重金屬夾頭的情況下，在長懸伸加工中獲得良好的減振效果，Rego-Fix公司在其新開發(fā)的Xtended Length加長型刀具夾頭（懸伸長度可達(dá)355mm）上組合使用了兩種不同類型的鋼制部件，從而產(chǎn)生了一種能消除共振的“微摩擦阻尼（MFD）”效應(yīng)。這種MFD減振技術(shù)是該公司專門為其加長型刀具夾頭而開發(fā)的。
另一種刀具減振技術(shù)是山特維克可樂滿為其加長型鏜桿和銑刀開發(fā)的“靜音刀具”技術(shù)。該公司的機(jī)床一體化經(jīng)理Jim Grimes介紹說，“利用這項(xiàng)技術(shù)，設(shè)置在工具鋼材質(zhì)的銑刀或鏜桿內(nèi)部的阻尼裝置——懸浮在油中的鎢棒——能夠抵消因刀具懸伸較長而產(chǎn)生的任何振動(dòng)。該技術(shù)使用戶用長懸伸刀具加工時(shí)仍能保持與使用短柄刀具時(shí)相同的切深量、進(jìn)給量和切削速度。你可能需要做出一些調(diào)整，但減振裝置可以幫助加長刀具獲得與較短刀具相同的切削性能?！?/span>
模塊化結(jié)構(gòu)
BIG Kaiser的Burley指出，“用工具鋼制成的整體式加長刀具夾頭可能比較笨重。對(duì)于長度超過300mm的刀具夾頭，如果采用鋼制整體結(jié)構(gòu)，就會(huì)變得相當(dāng)沉重。例如，一個(gè)用高合金工具鋼制成的整體式CAT 50刀具夾頭的重量可能會(huì)超過30磅。雖然這似乎算不上特別重，但其產(chǎn)生的重量矩（計(jì)算方法：工具重量×從測量線到工具重心的距離）卻可能會(huì)造成問題。雖然許多機(jī)床都能承受這一重量，但其自動(dòng)換刀機(jī)械手不一定能承受這樣大的重量矩?！?/span>
作為一種可能的解決方案，BIG Kaiser公司提供了一種CKN Connection模塊化刀具夾頭，用戶可以用它組裝出自己所需要的長度。夾頭中間的連接組件用較輕的鋁合金制成，有助于減輕整個(gè)夾頭的重量。三個(gè)緊固螺釘?shù)倪B接方式提供了足夠的剛性和夾緊力。
其他一些夾頭制造商也提供各種模塊化加長型刀具夾頭，他們認(rèn)為，這種結(jié)構(gòu)完全可以提供足夠的剛性。伊斯卡的Gadzinski說，“我們采用可互換的組件來組裝夾頭，這些組件可以縮短或延長夾頭組合體的總長度，而且不會(huì)使其損失太多剛性?！?/span>
除了整體式加長型刀具夾頭以外，雄克公司還提供三種型式（液壓式、熱裝式和多邊形夾緊式）的加長桿。Keith說，“如果用戶已有一個(gè)基本夾頭（雄克或其他品牌都行），但其懸伸長度太短，而他們又不想再投資購買一個(gè)加長型夾頭，他們就可以只購買一個(gè)加長桿?！?/span>
特別是熱裝式刀具夾頭，已被證明能有效應(yīng)用于大懸伸量切削加工。Gadzinski說，“對(duì)于加長型刀具夾頭來說，熱裝式系統(tǒng)的同心度精度損失要小得多，而且有很高的夾緊強(qiáng)度。其他一些夾緊方式（如液壓式夾緊）也能提供良好的夾緊壓力，但對(duì)于需要體積較小的細(xì)長型夾頭的用戶來說，熱裝式系統(tǒng)是最佳選擇。”
夾頭的平衡
Gadzinski指出，雖然用戶可以購買經(jīng)過制造商預(yù)先平衡的刀具夾頭，但對(duì)組裝后的整個(gè)工具系統(tǒng)進(jìn)行平衡才更有意義?！澳惚仨殞?duì)組裝完成后的刀具組合體進(jìn)行平衡，因?yàn)榈毒邐A頭在沒有裝夾刀具之前可能是平衡的，但裝上刀具之后，其平衡狀態(tài)可能就會(huì)完全改變。”
通常，工具系統(tǒng)的平衡測量與調(diào)整是在專用平衡機(jī)上進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)型平衡機(jī)可以對(duì)長夾頭（通?？傻?00mm）進(jìn)行平衡。對(duì)于更長的夾頭，則需要采用特殊的平衡機(jī)。
用戶必須選擇是進(jìn)行單一平面平衡（靜態(tài)平衡）還是雙平面平衡（動(dòng)態(tài)平衡）。Burley說，“加長型刀具夾頭最好是進(jìn)行動(dòng)平衡。與靜平衡只在單一平面上進(jìn)行測量不同，動(dòng)平衡是在兩個(gè)平面（通常是靠近夾頭V形凸緣的平面和最接近刀具末端的平面）上進(jìn)行測量，也就是說，你是在靠近主軸一側(cè)和靠近刀具一側(cè)同時(shí)測量平衡狀態(tài)。”
進(jìn)行高速切削時(shí)，對(duì)刀具夾頭的平衡必不可少。Gadzinski說，“通常，高速切削的主軸轉(zhuǎn)速在8,000r/min以上，而我曾看到一些用加長刀具夾頭以10,000 r/min以上的轉(zhuǎn)速進(jìn)行高速切削的實(shí)例。這些加工通常是用直徑小于6.35mm的刀具，以極小的切深量切削鋁制工件?！?/span>
不過，對(duì)高速切削的定義也是見仁見智。一些刀具供應(yīng)商并不贊成將加長型刀具夾頭用于高速切削。Rego-Fix的McHenry認(rèn)為，“當(dāng)?shù)毒邞疑炝亢艽髸r(shí)，你確實(shí)不應(yīng)該提高主軸轉(zhuǎn)速。如果刀具斷裂或出問題，它就會(huì)變成裝在主軸上的‘?dāng)嚨捌鳌?。”該公司平衡其加長型刀具夾頭的轉(zhuǎn)速上限為5,000 r/min。
山特維克可樂滿的Grimes也同意這一觀點(diǎn)。他指出，“用加長型刀具夾頭進(jìn)行高速切削的情況并不多見。這種夾頭可以適用于常規(guī)切削參數(shù)，但用于高速切削卻很困難。你必須將轉(zhuǎn)速控制在4,000－5,000 r/min的范圍以內(nèi)?！?/span>
越長越好？
與“刀具越短越好”的流行觀念相反，增大刀具夾頭的長徑比實(shí)際上有可能減少振動(dòng)，并導(dǎo)致銑削加工效率的提高。
Burley說，“我總是告訴人們，在某些銑削加工中，刀具夾頭長一點(diǎn)可能是一件好事。如果將夾頭長度增加50mm，你就有了改變切削參數(shù)的余地。實(shí)際上，你可以因此而提高加工效率，因?yàn)槟阋褜⒓庸は到y(tǒng)的固有頻率調(diào)整到了刀具最佳切削參數(shù)范圍之內(nèi)?！?/span>
通常，需要通過耗時(shí)費(fèi)力的反復(fù)試驗(yàn)，才能確定最佳切削參數(shù)。一些企業(yè)（如Blue Swarf公司）可以提供振動(dòng)測量系統(tǒng)，用于監(jiān)測一個(gè)特定的機(jī)床工具加工系統(tǒng)現(xiàn)有的共振頻率，然后據(jù)此確定能使該機(jī)床與工具組合振動(dòng)最小的切削速度和進(jìn)給量。Briney公司的London指出，“但是，加長夾頭并不能使加工系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)效率最大化，它只是為你提供了優(yōu)化的切削速度和進(jìn)給量，還需要配合采取其他各種優(yōu)化加工的措施，才能獲得提高產(chǎn)量或效率的最大成果?！?/span>
大懸伸加工的刀具選擇
在為加長型刀具夾頭選擇刀具時(shí)，需要考慮一些因素。伊斯卡的Gadzinski指出，“一般來說，如果你要使用加長型刀具夾頭（尤其在銑削加工中），就需要選用切削刃比較鋒利、能減小切削壓力的刀具。選用刀尖圓弧半徑較小的刀具是一種解決辦法，這種刀具通常是為小切深銑削加工而設(shè)計(jì)的?！?/span>
還有一些刀具本身就具有較大的切削范圍。那么，用戶如何才能確定自己是應(yīng)該使用加長型刀具夾頭配標(biāo)準(zhǔn)刀具，還是應(yīng)該使用標(biāo)準(zhǔn)刀具夾頭配切削范圍較大的刀具呢？Gadzinski解釋說，“大多數(shù)為大長度切削（意味著實(shí)際切削范圍較大）而設(shè)計(jì)的刀具通常都只用于粗加工。用戶采用分步加工方式可能效果更好。為了快速切除盡可能多的工件材料，用戶可以先用切削范圍大的刀具進(jìn)行粗加工，然后返回來用加長型刀具夾頭進(jìn)行精加工?！?/span>
他補(bǔ)充說，“有人首先用長刀具進(jìn)行粗加工，然后換用較短的刀具和較長的夾頭組合進(jìn)行精加工，這種情況很常見。但這也要取決于加工要求。如果你只需要加工10個(gè)零件，只使用一種工具系統(tǒng)可能更省事。但是，作為一種大批量生產(chǎn)的專用加工系統(tǒng)，分別采用兩種刀具加工可能是值得的?！?/span>
文章來源：中國刀具信息網(wǎng)
