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# {- d9 O/ t d# m4 A* j6 H 高速加工的刀具技術
1.緒言
眾所周知，高精度化、高效率化、低成本、快速交貨等問題是機械加工行業的永久的課題。特別是近些年，市場結構、市場需要日新月異，更對機械加工提出了更高的要求。再加上加工機械、刀具、刃具以及CAD/CAM技術的不斷進步，整個世界機械加工行業迅速地向高速化發展。
2.高速加工的優越性
高速加工之所以令人注目，是因為它具有如下的優越性(圖1)。以模具加工為例，過去一般的是分為
圖1 高速加工的優越性
粗加工→中精加工→精加工→電火化加工→磨光加工等多個加工工程，而采用高速后，可以將這些加工集中為一個工程，而且由于加工精度的提高，磨光工程也可也省去。這樣不但減少了加工時間及工程間的準備時間，也減少了機器設備及工具設備的數量，提高了整體效率。
當然，要實現高速加工，除主軸高速化以外還存在著有關刀具系統、刃具系統等各種各樣的課題。下面就高速加工對刀具系統的要求以及當今的刀具系統技術作一簡單分析。
3.高速加工對刀具系統的要求
刀具介在于機器與刃具之間，刀具的性能不但直接影響加工精度和加工效率，同時也影響機器與刃具的壽命。特別是高速加工，要求刀具系統具備以下特點:
①高剛性 ?、诟叨ㄎ痪?BR>
③平衡性 ④耐破損性
⑤高把持精度 ?、迯姲殉至?BR>
⑦柔軟性
針對這些要求，刀具廠家作多種努力，而兩面拘束刀具系統是近些年來最令人注目的。
4.兩面拘束刀具系統
圖2 兩面拘束系統BIG+PLUS
所謂兩面拘束，簡單地說即是刀柄與主軸的錐面及端面同時密接。下面以最近較流行的、也是比較實用的兩面拘束刀具系統【BIG+PLUS】為例分析兩面拘束刀具對于高速加工的適應性。
4-1 徑向剛性
圖2(a)是一般的BT系統，圖2(b)是兩面拘束刀具【BIG+PLUS】系統。顯而易見，和BT系統相比【BIG+PLUS】系統具有更大的保持力矩，從而獲得更強的剛性(圖3)
圖3 兩面拘束系統的剛性
4-2 跳動精度和重復精度的提高
跳動精度是影響加工的一個重要因素。例如用立銑刀進行精加工時，因進刀量較小，如果跳動精度不好，每個刃的切削量就不一樣。這不但使切削量大的刃加快磨損，而且直接影響到加工面。甚至因切削量小的刃從工件表面擦過而使刀、刃具發生顫振。 要解決這個問題，當然需要提高主軸、刀柄、刃具的跳動精度，刀具交換時的裝入主軸的誤差也不容忽視。 和普通BT刀柄相比，兩面拘束刀柄【BIG+PLUS】不但有錐面的求心性，而且由于刀柄與主軸端面密接，可保持其徑向的水平定位。當然這要求刀柄及主軸端面的水平度和平坦度非常高。圖4是普通BT刀柄和兩面拘束刀柄【BIG+PLUS】在ATC時的重復精度比較。
圖4 ATC的重復精度
圖5 高速轉動時主軸的內徑膨脹
另外，主軸高速轉動時因為離心力的作用，其錐孔內徑增大(圖5)，在拉力P的作用下刀柄將發生軸向變位而影響加工精度。甚至會妨礙ATC的正常工作。 而【BIG+PLUS】刀具由于與主軸端面密接，所以軸向尺寸幾乎不變。
4-3.刀具的平衡精度
任何旋轉體在轉動過程中都要受到離心力的作用:
m:旋轉體的質量(kg) ω:角速度 r:重心與軸心間的距離(m)
如果旋轉體完全處于動平衡狀態，也即重心與軸心一致，即可看著離心力F=0。 如果旋轉體處于非動平衡狀態，比如一刀具質量為2kg、偏重心距離為10μm，在20000轉時受的離心力為:
!!
因此離心力的作用而使刀具發生彎曲:
撓度
L:力臂長 E :彈性模量 I:斷面撓矩
在此狀態下進行加工，直接影響工具壽命、加工精度以及加工效率。
刀具的平衡精度一般用G等級來表示。越是高速、高精度加工對G的要求也越高。
N:轉速(rpm) r:半徑(mm) m:非平衡質量(g) M:刀具的質量(g)
由此可見，高速轉動時(N增大)要維持或提高G等級，就是要盡量地減小非平衡質量m，對于刀柄來說在存庫前的平衡修正就相當重要。
圖6 刀柄的平衡修正
圖7 兩面拘束刀柄MEGA 系列(日本大昭和精機
圖7介紹的是日本大昭和精機制造的高速加工用兩面拘束刀柄MEGA系列產品。它包括微型夾頭MEGA-S系列，鉆頭、小徑立銑刀用彈簧夾頭MEGA-N系列，強力、倍力型立銑刀夾頭MEGA-D系列。 它的特點是所有的刀柄在熱處理后都進行精密平衡修正，將非平衡質量限制在最小。此系列產品的最高轉速可達40000轉。
圖9 單向離合器板手 (日本大昭和精機生產)
另外，為防止螺母因構造不均勻而發生破損以及減少高速轉動時的噪音和阻力，所有MEGA系列的螺母都沒有扳手槽。因而專門設計了MEGA系列產品用的MEGA扳手(圖8)。此扳手采用單方向離合器原理，只要調換扳手的上下方向就可以進行鎖緊或松開的操作。
4-4.刀具的把持精度
即使刀柄具有很高的平衡精度，但如果把持精度不好，在夾持刃具后整體的平衡精度也會被破壞。特別是現代高速加工，使用的刃具多以硬質合金材料為主流。硬質 合金刃具的硬度高、耐磨損性好、但相對來說韌性較差，如無高精度(平衡精度、跳動精度)的刀柄作保證，在高速加工時不但會影響加工精度，同時使刃具壽命縮短、甚至折損、損壞工件、影響到整體的生產效率。
圖9 刀具的把持精度的影響
就彈簧夾頭而言，由于制造技術以及價格等原因，一般使用較多是跳動精度為10～15μm(4D先端)。但近些年來，隨著加工技術及工藝水平的提高，一些高精度、高性賴性的彈簧夾頭出現在市場，為高速、高精度加工提供了保證。
圖10 高精度彈簧夾頭套筒 (日本大昭和精機生產)
頭套筒，可保證夾頭口部1μm以內、4D先端3μm以內的跳動精度。
5.結語
無任從那個角度來看，高速、高精度、高效率加工時使用兩面拘束型刀具幾乎可以作為定認。但現有的兩面拘束型刀具系統除大昭和精機的【BIG+PLUS】以外，還有HSK、KM等多種規格。這些規格的刀柄和普通(BT)刀柄相比有高精度、高剛性等共同之處，也有各自的不同特點。
比如HSK刀柄因是1/10中空短錐柄，所以重量輕、換刀時間短。但也正因為它是中空柄，所以錐柄部分強度較弱。再有刀柄上的V型定位槽使得刀柄本身處于不平衡狀態，高速轉動時容易發生振動。
和其它兩面拘束系統相比【BIG+PLUS】的最大的特點是和普通BT系統具有互換性。也就是說，【BIG+PLUS】刀柄在BT主軸上也可以使用，BT刀柄在【BIG+PLUS】主軸上也可以使用。甚至裝刀臺、對刀儀等周邊機器也可以共用。這大大地減少了投資金額，對用戶很有吸引力。
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