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      超高速切削的發展現狀

      時間:2020-09-05 16:14:32 綜合資料 我要投稿

      超高速切削的發展現狀

      金屬切削加工已進入了一個以高速切削為代表的新的發展階段,由于高速切削加工能極大地提高材料的切除率和零件的加工質量,降低加工成本,因而成為當今金屬切削加工的發展方向之一。高速切削刀具技術是高速切削加工的一個關鍵技術,它包括高速切削刀具材料、刀柄系統、刀具系統動平衡技術、刀具監測技術等。本文就作一概述。

      1. 高速切削加工對刀具系統的要求

      所謂刀具系統是指由刀柄、夾頭和切削刀具所組成的完整的刀具體系,刀柄與機床主軸相連,切削刀具通過夾頭裝入刀柄之中。要使刀具系統能在高速下進行切削加工,應滿足以下基本條件:

      較高的系統精度

      系統精度包括系統定位夾持精度和刀具重復定位精度,前者指刀具與刀柄、刀柄與機床主軸的連接精度;后者指每次換刀后刀具系統精度的一致性。刀具系統具有較高的系統精度,才能保證高速加工條件下刀具系統應有的靜態和動態穩定性。

      較高的系統剛度

      刀具系統的靜、動剛度是影響加工精度及切削性能的重要因素。刀具系統剛度不足會導致刀具系統振動,從而降低加工精度,并加劇刀具的磨損,降低刀具的使用壽命。

      較好的動平衡性

      高速切削加工條件下,微小質量的不平衡都會造成巨大的離心力,在加工過程中引起機床的急劇振動。因此,高速刀具系統的動平衡非常重要。

      2. 傳統實心長刀柄結構存在的問題

      目前,在數控銑床、數控鏜床和加工中心上使用的傳統刀柄是標準7:24錐度實心長刀柄。這種刀柄與機床主軸的連接只是靠錐面定位,主軸端面與刀柄法蘭端面間有較大間隙。這種刀柄結構在高速切削條件下會出現下列問題:

      刀具動、靜剛度低

      刀具高速旋轉時,由于離心力的作用,主軸錐孔和刀柄均會發生徑向膨脹,膨脹量大小隨旋轉半徑和轉速的增大而增大。這就會造成刀柄的膨脹量小于主軸錐孔的膨脹量而出現配合間隙,使得本來只靠錐面結合的低剛性連接的剛度進一步降低。

      動平衡性差

      標準7:24錐度柄較長,很難實現全長無間隙配合,一般只要求配合前段70%以上接觸,而后段往往會有一定間隙。該間隙會引起刀具的徑向圓跳動,影響刀具系統的動平衡。

      重復定位精度低

      當采用atc(automatic toolchanging,自動換刀)方式安裝刀具時,由于錐度較長,難以保證每次換刀后刀柄與主軸錐孔結合的一致性。同時,長刀柄也限制了換刀過程的高速化。

      3. 多種新型刀柄的開發與應用

      為了適應高速切削加工對刀具系統的要求,最近10年各工業發達國家相繼研制開發了多種新型結構的刀柄。簡介如下。

      1) hsk刀柄

      hsk(德文hohlschaftkegel縮寫)刀柄是德國阿亨(aachen)工業大學機床研究所在20世紀90年代初開發的一種雙面夾緊刀柄,它是雙面夾緊刀柄中最具有代表性的。hsk刀柄已于1996年列入德國din標準,并于2001年12月成為國際標準iso12164。由于其剛度和重復定位精度較標準7:24錐度柄提高了幾倍至幾十倍,因此在機械制造業得到了廣泛的認同和采用。例如,在德國奔馳汽車公司和大眾汽車公司,hsk刀柄被廣泛用于銑削、鉆削和車削加工中。在我國一汽大眾公司的發動機、傳動器生產線上共有二百五十多臺數控機床采用了hsk高速短錐空心柄工具系統,共6個規格。

      hsk刀柄由錐面(徑向)和法蘭端面(軸向)雙面定位,實現與主軸的剛性連接,如圖1所示。當刀柄在機床主軸上安裝時,空心短錐柄與主軸錐孔能完全接觸,起到定心作用。此時,hsk刀柄法蘭盤與主軸端面之間還存在約0.1mm的間隙。在拉緊機構作用下,拉桿的向右移動使其前端的錐面將彈性夾爪徑向脹開,同時夾爪的外錐面作用在空心短錐柄內孔的30°錐面上,空心短錐柄產生彈性變形,并使其端面與主軸端面靠緊,實現了刀柄與主軸錐面和主軸端面同時定位和夾緊的功能。

      圖1 hsk刀柄與主軸連接結構與工作原理

      這種刀柄結構的主要優點是:

      有效地提高刀柄與機床主軸的結合剛度。由于采用錐面、端面過定位結合,使刀柄與主軸的有效接觸面積增大,并從徑向和軸向進行雙面定位,大大提高了刀柄與主軸的結合剛度,克服了傳統的標準7:24錐度柄在高速旋轉時剛度不足的弱點。

      有較高的重復定位精度,并且自動換刀動作快,有利于實現atc的高速化。由于采用1:10的錐度,其錐部長度短(大約是7:24錐柄相近規格的一半)。每次換刀后刀柄與主軸的接觸面積一致性好,故提高了刀柄的重復定位精度。由于采用空心結構,質量輕,便于自動換刀。

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