正确选用刀柄

模具表面高精度型面加工中,刀柄的价值与成套加工中心的价值相比是微不足道的,但它却是连接机床主轴与刀具的重要桥梁,对于加工质量的好坏产生着重要的影响。

在现代大型高速加工设备被越来越多地应用到生产环节中的条件下,如何选择合适的刀柄以适应逐渐提高的机床主轴转速,加工出高精度的模具型面,技术人员必须综合考虑刀柄的各种特性,尤其是在高速运转条件下的夹紧力和径向跳动误差精度及其动平衡质量,这样有利于降低刀具本身存在的振动。此外,一般刀柄的径向跳动误差精度要小于3μm,出于对机床主轴跳动误差的考虑,采用重量低的主轴、刀柄和刀具相结合的方式有利于获得更好地切削加工效果。

一般来说,客户对刀柄的切削效果会提出明确的要求,因为不同的系统具有不同的技术特性和优点,根据客户的特殊应用目的,可以找到非常完美的刀具夹紧系统。目前,市场上主要有4种刀柄:液压刀柄、应力锁紧式刀柄、通用刀柄、热缩刀柄。

液压刀柄

液压刀柄是一种应用很广泛的刀柄,有些客户由于加工要求特殊而采用特殊的刀具夹紧解决方案,但大部分应用领域是可以选用这种刀柄的(图1)。

图1 雄克液压刀柄

此种刀柄的夹持方式有别于传统刀柄系统。拧紧只需用一个加压螺栓,当螺栓拧紧时便会推动活塞的密封块在刀柄内产生一个液压油压力,该压力均匀地从圆周方向传递给钢制膨胀套,膨胀壁再将刀具夹紧。

采用这一刀具夹紧系统,可使系统径向跳动误差精度和重复定位精度控制在3μm以下。由于刀柄内存在有高压油液压力,当刀具被夹紧时,内藏的油腔结构及高压油的存在大大地增加了结构阻尼,可有效防止刀具和机床主轴的振动。实际应用表明,使用这种夹紧系统不仅可以提高加工精度和质量,而且还能使刀具在切削加工中的使用寿命得到成倍提高。

此外,这类刀柄不但具有免维护功能和抗污能力,而且易于使用和安全地夹紧刀具。因为,在紧固刀具时,夹紧压力可以将刀柄上的任何油或杂质导引到膨胀套筒中(加工)的小沟槽中。这样就可以清理装夹用表面区域,并让其保持干燥,消除打滑现象,保证主轴的扭矩可以很好地传递给刀具。

应力锁紧式夹头

应力锁紧式夹头采用多面刀具夹紧方式(图2),这是一种结构极其简单,但设计功能相当高的夹紧装置。刀具装夹孔具有经精确计算而设计的轴对称特殊多边形,借助于一个特制的加载装置对其施加压力,迫使夹持孔在弹性变形的范围内变成圆形,从而顺利地将刀具装入孔内,卸载后刀具即被巨大的变形恢复力牢固地夹紧。

图2 雄克的TRIBOS多面刀具夹紧系统

市场上提供的这类刀柄有两种类型以适应不同的应用目的。

1.细长型刀柄

此类刀柄最为适合于夹持刀柄设计特别细小而延伸较长的刀具,但也可以用来夹持较短的刀具,这有利于降低用户的成本费用。

2.粗壮型刀柄

这种刀柄体型较大,因此其刚性较高,在提高径向力补偿方面能提供较高的质量。

该类多面刀具夹紧系统大量应用于加长杆,它们能够更加灵活地完成困难的加工任务。

对于高速加工应用领域而言,多面夹紧系统是一个伟大的解决方案,因为刀具的夹紧或松开是在刀柄材料的弹性形变范围内实现的,不仅可以提供极高地刀柄回转精度,而且对刀具使用寿命没有限制。此外,刀具的更换方便简单,不需要任何外接电源,仅需采用一种附带的夹紧装置在几秒钟之内便可完成,因而,该种刀具夹紧系统可以应用于多个领域,尤其是要求频繁更换刀具的应用领域。

通用刀柄

如图3所示,通用刀柄目前主要有两种应用方案:适用于轻型加工应用领域,适合于中型和重型加工应用领域。用户可以充分利用这类刀柄的重要优点及其防振性能,提高刀具的使用寿命和工件的表面粗糙度,而其价格可以与高端弹簧刀柄系统相匹敌。

图3 雄克的SINO-R 刀柄

这类刀柄采用类似于液压刀柄的膨胀技术来夹紧刀具,只是其扩张力是通过机械方法获得的,而不是通过液压介质获得。这一优势可以使用户的刀柄系统达到防振的效果和很高的径向跳动误差精度,通常小于5μm。

与弹簧夹头刀柄相比,SINO-R刀柄还有另外一些特点:刀柄刀具安装部外围有一夹紧套可在省去握矩扳手的情况下,将其旋转至一固定点,使刀柄每次夹紧力达到统一；能够紧固和安全夹紧圆形刀具(夹头可以将刀柄的前端部分夹得更紧一些,但夹孔底部的夹紧程度较差)；通过使用标准减径套可适应各种夹持直径的刀具；通过使用内部长度调节螺丝,可以非常精密地调节轴向长度。

热胀冷缩刀柄

图4所示为热胀冷缩刀柄,该刀柄采用热胀冷缩的技术原理,热量来源于感应技术加热。

图4 热胀冷缩刀柄

该刀柄加热装置具有感应线圈(有些装置采用高频线圈),可以对刀柄中插入的刀具的区域进行精确地加热。在插入刀具后,需要对刀柄冷却一段时间,这可以通过冷却套加速其冷却速度。刀柄冷却以后依靠其收缩力紧紧地夹住刀柄。通过热胀冷缩夹紧的刀具,夹紧力大,而且可以承受很高的扭矩。

通过热胀冷缩法夹紧的刀具几乎成为受力非常均匀的一体式刀具,具有很多优点:径向跳动误差精度很高,可达到3μm以下水平；传动扭矩大,而刀柄的设计相对比较小巧。但其缺陷在于,相比液压刀柄或应力锁紧式刀柄来讲,其防振性能较差。

结语

通过对以上4中刀具夹紧系统的对比,我们了解到每种刀柄都有其自身的优点和不足。用户在实际生产时,要根据自身的生产特点来进行选择,其中一个基本要求是:必须了解刀柄的静态特性和动态特性,只有这样,才能确定安全而有效的加工参数。(end)

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