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刀具夹头与刀具径跳的控制

  中国机械工业联合会机经网发布时间:2012-05-18 09:19:47 来源:中国道具商务网

  在钻削和铣削加工中,控制径向跳动对于延长刀具寿命和降低每孔加工成本至关重要。

  许多加工车间在做出购买刀具夹头的决策时,都缺少客观的评价标准。它们表示,每一家刀具制造商都宣称自己的产品具有很高的精度、完美的平衡和强大的夹持力。由于可供选择的刀具夹头如此之多,各种产品之间的区别又如此之小,以至于大多数购买决策只能根据产品价格来定夺。

  但是,采用价格作为标准忽略了径向跳动(以下简称径跳)对加工精度和刀具寿命的重要影响。许多加工车间和零件制造商并不清楚,他们可以通过使用正确的刀具夹头,大大减轻径跳的不利影响。

  在确定可以接受的径跳值时,需要考虑两个重要变量:刀具尺寸和材料成分。对于直径大于20mm的刀具,0.0127mm的径跳可能不会影响加工性能和刀具寿命。然而,对于直径更小的刀具来说,可能需要更小的径跳值才能满足加工要求。

  刀具材料也至关重要。例如,整体硬质合金钻头可以达到比高速钢钻头更长的刀具寿命,但前提条件是必须严格控制径跳。

  在BIG Kaiser精密刀具公司进行的一次非正式用户调查中,大家公认,0.0127mm是可以接受的径跳值。该公司决定对不同的刀具进行试验,以评估这一标准是否合理。日本大昭和精机公司技术中心进行了钻削试验(切削条件见表1),每种钻头都在相同条件下进行试验,每次评估只考虑径跳变化。

  第一支直径3mm的整体硬质合金钻头的径跳值为0.002mm,在主切削刃出现0.2mm的磨损(此时可认为该刀具寿命完结)之前,共加工了148个深度为3倍孔径的孔。第二支直径3mm的整体硬质合金钻头径跳值为0.005mm,在相同的切削条件和刀具寿命标准下,只加工了125个孔。此后,又用径跳值为0.01mm和0.015mm的硬质合金钻头进行了两次钻削试验,结果都表明,刀具寿命随着径跳值的增大而缩短。

  第二个试验采用与上述相同的4种径跳值、直径3mm的高速钢钻头加工孔深为3倍孔径的孔。第三个试验与前两个试验条件相同,只是采用直径3mm的内冷却高速钢钻头加工孔深为5倍孔径的孔。

  (1)硬质合金刀具对因径跳而导致刀具寿命缩短的敏感度最高。当径跳值从0.015mm减小到0.002mm时,整体硬质合金钻头的刀具寿命提高了2倍。需要注意,在我们的调查中,刀具用户认为,0.0127mm的径跳值是可以接受的(平均值)。

  (2)高速钢刀具对因径跳而导致刀具寿命缩短的敏感度略低于硬质合金刀具。当径跳值从0.015mm减小到0.002mm时,高速钢刀具寿命提高了1.3倍。内冷却高速钢刀具对径跳的敏感度更低,当径跳值减小时,其刀具寿命只提高了60%。

  如果钻头的转动与其中心线不同心,就会在其最高的刃带上产生较大的径向切削力,造成钻头单边磨损量加大。基于对硬质合金和高速钢刀具进行切削试验的平均结果,这一磨损量数据被用于确定刀具寿命效率。利用该数据,就可以根据径跳值来确定刀具寿命效率。因此,径跳为“0”(理论上)就等于刀具寿命效率为100%。当径跳值为“可接受的平均值”0.0127mm时,刀具寿命降低了一半。

  许多加工车间使用的刀具夹头(如三爪钻夹头)使钻头径跳值超过了0.025mm。根据前述试验数据外推计算,径跳值为0.025mm的整体硬质合金钻头可加工的孔数还不到25个。而使用质量更高(当然价格也更贵)的钻夹头,则可以大幅延长刀具寿命。

  可以用每孔加工成本来衡量由此节省的成本。在上述试验中使用的整体硬质合金钻头(直径3mm)平均每支价格为40美元,在径跳值为0.002mm时可加工148个孔,即每孔加工成本为0.27美元。因此,制造商愿意接受0.0127mm的径跳值,相当于放弃了一个将钻削成本削减66%的机会。

  大昭和精机还通过类似的切削试验(切削条件见表2),来确定一支直径10mm的4刃硬质合金立铣刀的铣削长度。当径跳值从0.015mm减小到0.002mm时,刀具铣削长度从161m增加到211m,即刀具寿命延长了30%。原因很清楚,当径跳仅为0.002mm时,切削力均匀分布在每个切削刃上;反之,当径跳为0.015mm时,过大的切削力将会作用在仅仅一个切削刃上。较小的径跳有助于使每个切削刃的切深保持稳定,并获得更好的表面光洁度。

  应该根据刀具的不同直径来确定允许的径跳误差值(TIR)。刀具直径与径跳值之间的关系是切屑负荷的函数。该数据将0.0127mm作为直径12.7mm刀具允许径跳误差值(TIR)的起点,据此可以计算出直径更小的刀具及其切屑负荷对应的允许TIR值。例如,如果用一把直径1.588mm的3刃立铣刀对模具钢进行成形铣削,其有效切屑负荷为0.005mm/每刃,这就意味着,当径跳值为0.0127mm时,刀具将会失去平衡。

  在老旧过时或已经磨损的机床主轴上,即使是质量最好的弹簧夹头也难以发挥出优良的性能。加工车间应该定期对机床主轴进行检测,以及时发现潜在问题,并能缩短加工辅助时间,减少对主轴的维修。检测径跳误差的一种常用的简便方法是用精密杠杆表的直测杆靠在主轴圆周面上,然后缓慢转动主轴,量表示值的最大变化量即为主轴的径跳误差。

  动态径跳测量装置对于高速加工非常有用。当主轴低速旋转时,离心力对径跳几乎没有影响或影响极小。但是,随着主轴转速增大,离心力也会以指数级数成倍增大,并可能造成极大的径跳误差。典型的动态径跳测量装置有一个精密光点,可在X轴和Y轴上对刀具进行激光对准精密测量。大昭和精机最近对一些高速主轴的测试表明,许多机床尽管在500r/min的低转速时精度很高,但在30,000r/min的高转速时径跳误差超过了0.025mm。

  如果加工车间希望提高刀具寿命,那么许多车间认为可以接受的径跳误差实际上是不可接受的。将购买刀具夹头的决策仅仅建立在产品价格基础上的制造商,最终可能需要根据刀具寿命和每孔(件)加工成本,选择价格更高、质量更好的刀具夹头。

  希望控制径跳的加工车间应该密切关注刀具夹头的一些特点,如锥面接触、夹头锥角以及对应的夹持范围。

  在一个典型的弹簧夹头系统中,夹头锥角为16°,夹持范围为1mm。但是,获得这一夹持范围的代价是减小了径跳控制和夹持力。例如,大昭和精机的BIG Mega New Baby弹簧夹头采用了12°的夹头锥角,相应的夹持范围仅为0.5mm,但与锥角更大的夹头相比,它具有更好的径跳控制和夹持力。该公司的另一种产品BIG Mega E弹簧夹头用于夹持立铣刀,其夹头锥角仅为8°,因此具有更大的夹持力、更好的刚性和更小的径跳,可实现稳定的高速铣削。用于夹持微型刀具的BIG Mega Micro弹簧夹头也采用了较小的夹头锥角,为了控制径跳,该系列夹头的直径规格增量为0.1mm。

  提高夹持刀具的同心度和增大夹持力也能减小刀具的径跳。例如,大昭和精机的Mega ER Grip型AA级弹簧夹头系统的夹持直径尺寸分别为2~3mm(尺寸增量0.1mm)、3~6mm(尺寸增量0.25mm)和6~20mm(尺寸增量0.5mm)。这种夹头较小的夹持范围使其与刀具柄部具有更好的同心度,从而减小了径跳。该夹头体增大了内锥面的接触长度,从而减小了夹头的悬伸长度;与类似产品相比,其夹持范围也较小。这些特点提高了夹头的刚度、夹持力和径跳精度。该系统的夹头体经过预平衡,围绕外圆周分布有一些锥孔,可通过螺钉精确调节平衡;而且它采用了双重接触界面。

  大昭和精机保证,其所有型号弹簧夹头的径跳误差在4倍刀具直径处不大于3μm,在夹头端部不大于1μm。

  应用实例:为了控制径跳,有时需要更换刀具夹头。例如,美国一家模具制造商Ideal Tool公司在对材质为S7工具钢的冲压模具进行硬铣削时,径跳达到0.025~0.038mm。该公司在换用大昭和精机的HSK-A63 Mega New Baby弹簧夹头后,径跳降至0.0127mm。

  Ideal Tool公司采用Makino V55立式加工中心(HSK-A63主轴),以20,000r/min的转速和3810mm/min的进给量进行加工。与大多数模具加工车间一样,该公司也是以多品种、小批量加工为主,加工时需要大量更换工装。采用新夹头后,更换夹头的时间由过去的5~10分钟缩短到30秒以内。由于加工每件模具最多时需要更换10次夹头,因此对提高生产率的作用是显而易见的。

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