刀柄技术应对航空航天工业领域的严峻挑战

【编者按】制造业的所有阶段都在生产高质量零部件的过程中发挥了重要作用，刀柄帮助了许多制造商处理了航空航天工业领域所面临的严峻挑战。

如今的航空航天加工业，正面临几个刀柄方面的挑战——加工材料很困难，金属切除率达不到要求，繁冗的组件还需要长而笨拙的道具悬伸。在这些情况下，刀柄必须完美地执行，并提供强大的夹持力、高精度和振动控制，因为在航空航天工厂里，任何阶段一个刀柄产生的故障都会导致时间和金钱上的巨大损失。

为了避免这样的结果，许多航空航天工厂用机械刀柄系统代替其他流行的使用热力或液压系统功能的刀柄系统。先进的机械刀柄系统不仅提供了高水平的夹持力，而且还为极低的TIR率提供最有可能的振动衰减，以提高刀具寿命，并提升零部件表面光洁度。

航空航天工厂选择机械系统的主要原因之一是简单明了的：他们经历了多次失败，往往是由于刀具拔出、振动或者跳动。例如，我们可以想到，一个典型的具有JIT配送环境的航空航天工厂，已经将一星期的加工时间价值转化成一个巨大的飞机翼梁。然后，在加工过程结束的时候，铣刀退出刀柄，此时飞机翼梁只变化了0.060"这样一个不明显的量。

当用Inconel合金或者钛合金这样昂贵的材料加工零部件时，刀具拔出的影响就变得更大了。

举例来说，从一块价值10万美元的钛合金原料板上加工一个大型航空航天组件是不罕见的，当其完成四分之三时就已经价值50万美元了，所以除了所浪费的加工时间外，在这一点上如若退出刀具，将会造成巨大的损失。

举例来说，从一块价值10万美元的钛合金原料板上加工一个大型航空航天组件是不罕见的，当其完成四分之三时就已经价值50万美元了，所以除了所浪费的加工时间外，在这一点上如若退出刀具，将会造成巨大的损失。

防止刀具拔出

为了努力地防止切削刀具的拔出，航空航天工厂往往会采取自己动手的方法。这些自制解决方案包括在刀具里利用电火花工艺加工一些孔，这样便可以将驱动销插进孔里使刀具保持原位。

虽然机械刀柄系统提供了令人难以置信的控制能力，但是模具制造商还是通过锁定刀具来防止其拔出这样的方式，以此来继续积极地发展能提供更高安全性的机械系统。

“随着系统可以更改一个切割工具的刀柄，刀架制造商通常会开发一套专利系统，并同意切削工具公司为了特殊的刀架系统而修改他们的切削工具，”REGO-FIX刀具公司的高级产品工程师大卫·麦克亨利解释道，“然而，不好的一面是，工厂只能被迫使用这些与刀架公司签有协议的制造商生产出的刀具。这限制了一个工厂对刀具的选择，由于增加了修改刀具柄这样的加工过程，通常使得切削刀具增加了额外成本。”

也有其他的锁定系统，使用特殊的ER夹头来增加长度。这个额外的固体部分将有一个凸节或销，由于工具会转向夹具背面的位置从而使得这个凸节或销能够嵌入在切削工具的凹槽里。锁住系统凹槽的末端位置是很可靠的。

根据麦克亨利所说，这样做的缺点是，切削刀具凹槽末端很少是直的，因此由于刀具末端有一个典型的锥状物存在，从而在刀具对接的时候就不会有牢固的插孔。为了获得最大的保持力，整个ER弹簧夹头必须夹紧切割器，但由于夹头顶部有一个固体部分，所以仅仅需要将夹头的背面夹紧即可。

相对于刀柄上的标签或者磨削出的特殊凹槽图案，一个新的工具锁定系统REGO-FIX secuRgrip刀具，使用了一种特殊的螺纹嵌件或键，从而不再需要改变刀具。简单而有效的设计是公司行之有效的powRgrip机械刀具夹紧系统的一部分，只要刀柄有一个普通标准的韦尔登型平面，就可以让工厂使用任何现成的工具。secuRgrip刀具进一步增强了powRgrip刀具的极端保持能力。

为了将切割器锁定到位，secuRgrip刀具系统的小插件被放置在切割器的韦尔登型平面上。插入件的底部剖面与韦尔登型平面相匹配，且其外露的螺纹与PG筒夹的内部螺纹相匹配。用户将插入件保持原位，同时将工具滑至夹头。夹头被旋转以便它的螺纹与插入件吻合，然后想尽一切办法将工具拧紧到夹头上。该切割器的夹头组件被压入到一个powRgrip刀具系统中，并且一个特殊的外部螺母拧紧到托架上，以增加拔出的安全性。

现存有powRgrip刀具托架的工厂可以将这些托架转换为secuRgrip刀具托架，仅仅只需通过给powRgrip刀具系统的外部装上可以接受螺母的PG25或者PG32托架即可。

secuRgrip刀具托架可以容纳0.472"到1.000"的刀具直径。由于托架体的拉伸强度要高于切割工具所具有的拉伸强度，托架将要承受足够强大的切割力才能破坏secuRgrip刀具托架。

保持力，减振

据麦克亨利说，航空航天工厂一直在研究，希望使得刀具寿命变得更长。当为涡轮叶片加工特殊材料时，例如，得到了额外的几分钟切割时间，或者甚至使用一个切割工具可以多加工出一个零部件，可能看起来像是不起眼的收益，但这些都意味着成本的显著减少，并且节约了时间。此外，许多用于航空航天领域的刀具价格都很昂贵，而且常常在变钝后不能重新被磨快，所以在这些情况下较长的刀具寿命可以降低工具的成本。

采用如今的先进刀具来实现寿命的最大化在很大程度上取决于它们连接到机床主轴的刀柄。由于在航空航天工厂里机床主轴转速和进给率持续增加，所以刀柄的减振能力成为更重要的因素。如果刀柄控制得更好或者能更好地减振，那么刀柄的TIR则会更紧。而刀柄的TIR更紧，将会有助于提高工具的寿命，以及提高零件的精度和表面光洁度。

机械刀具夹紧系统可以提供低至大约几微米的TIR等级。例如powRgrip刀具可确保同心度（TIR），工具长度达到3xD（直径）时其偏差低于3μ（0.0001"），并且长度在调整前其重复精度小于10μ（0.0004"）。

这些研究结果的秘密在powRgrip刀具的内部。由于刀柄和夹头之间具有功能性的接触面，所以powRgrip将会实现更大的减振效果。这种刀具要比非机械系统如热缩刀具拥有更好的吸振功能。

振动产生于切割工具，或者甚至来自于获取加工零件的夹具系统——通过切割工具，进入刀柄系统，再到机床主轴，最后回来进行工件表面光洁度的加工。振动得以发生是由于沿主轴刀架接口的任何地方都不能吸收振动。

该powRgrip刀具系统通过创建麦克亨利所提到的材料断裂来吸收振动。吸收振动的过程始于一个切割工具，其主要由高速钢、硬质合金和钴制成，且每一种材料都有其固有的振动频率或谐波。切割工具被固定在一个夹头中，该夹头也是由一种特殊类型的钢制成，然后将切割工具插入到一个由一种不同类型的钢制成的powRgrip刀架中。

据麦克亨利说，使用不同的材料，这些材料都有自己独特的谐波/频率，会产生破裂或缺口。通过带领欧洲的大学进行测试，已经证明了标准powRgrip刀具的减振能力超过了热收缩型系统。

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