大功率切削刀具夾頭的特點與應用
/ 2021/6/5 15:41:02
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在理想情況下，切削刀具及其刀具夾頭在加工中應該表現(xiàn)得像一個整體的、完美平衡的組件一樣可靠——但顯而易見，這是很難實現(xiàn)的。刀具和刀具夾頭是兩個單獨的部件，僅靠作用于其接口界面的夾持壓力而組合在一起，而切削加工時作用于界面處的不同切削力卻趨向于將其分離。
有時，這些切削力可能很大，并作用于多個方向，尤其在用硬質合金刀具進行大功率銑削時更是如此。然而，不同的專家對于所謂的“大切削力加工”卻有不同的定義。
德國雄克公司(SchunkInc.)產(chǎn)品經(jīng)理JeffKeith指出，“對刀具夾持力要求較高的加工通常都是一次切削加工(粗加工)，或者是對高強度的工件材料(如淬硬鋼和常見的航空材料)的加工。”當最終用戶試圖通過增大切削深度、切削寬度或機床工作臺進給速度來縮短加工循環(huán)時間時，在二次切削加工(精加工)中也會產(chǎn)生較大的切削力。
瑞士Rego-Fix公司的產(chǎn)品工程師DavidMcHenry指出，尤其是在對加工成本敏感的行業(yè)(如汽車制造業(yè))，刀柄必須能夠承受加工要求的更高進給率和切削速度，“為了更快去除工件材料，還需要使用具有大螺旋角的新型專用刀具——所有這些都取決于你將如何夾持刀具。”
美國BigKaiser精密刀具公司副總裁JackBurley解釋說，加工韌性較高的工件材料時，切削力會增大，而這種力具有將硬質合金螺旋刀具拉離刀具夾頭的傾向，特別是用大螺旋角立銑刀加工通常用于航空工業(yè)的“特殊”材料(如Inconel合金和鈦合金)時，這種情況尤為明顯。當用45°或60°螺旋角的立銑刀銑削這些材料時，立銑刀就像一顆螺釘一樣，將自身拉入工件之中，并趨向于脫離刀具夾頭。同樣，Lyndex-Nikken公司副總裁PrebenHansen也聲稱，粗加工
模具鋼時，要求刀具夾頭對刀具有特別大的夾持扭矩。
但是，Techniks公司總裁JohnStagge解釋說，通常在談到“大切削力”加工時，只考慮刀具尺寸和刀具承受的壓力可能會更好一些。按照Stagge對加工的定義，直徑大于19mm的立銑刀或鉆頭在承受違禁詞壓力的情況下進行切削時，必須使用大夾持力刀具夾頭。工件材料并不重要，因為材料越軟，加工速度就越快。因此，甚至在切削鋁時，也可能引起很大的切削力，因為所用的切削速度可能高達切削鋼時的4倍。
雄克公司的JeffKeith認為，當?shù)毒邐A頭在切削壓力下提供了足夠的夾持力時，人們并不會給予它們太多好評——但當?shù)毒甙l(fā)生滑移或折斷時，人們可能就會把責任歸咎于刀具夾頭。其實，問題的根源往往來自于其他方面，如刀具切削刃鈍化、刀具柄部尺寸超差、刀具插入夾頭的方式不正確、工件夾緊不良，或者使用了一臺主軸精度變差或功率不足的老式機床。
Keith補充說，“如今的機床重量較輕、剛性較差，而且其主軸電機和運動軸驅動電機比較小。這就使加工方式發(fā)生了變化，從采用違禁詞切削深度和寬度以及較小的進給率，變?yōu)椴捎幂^小的切削深度和寬度以及較大的進給率。”從好的方面來看，這種加工方式往往意味著，與過去相比，如今刀具夾頭產(chǎn)生的夾緊力大小已變得不那么重要。
但是，刀具夾頭的選擇仍然至關重要，而且，關于哪種類型的夾頭可以提供大夾持力，同時對于某種加工具有最佳總體效益也存在一些爭議。對于各種不同類型的大功率切削加工，機械式夾頭、熱裝式夾頭乃至液壓式夾頭都具有各自的優(yōu)勢。
通常，需要在夾緊力與其他一些有利因素(如較小的徑跳、振動和較低的成本)之間進行權衡取舍?？紤]一下基本的立銑刀夾頭，這種夾頭采用側面緊固螺釘與刀具柄部的平面接觸，實現(xiàn)夾緊。BigKaiser公司的JackBurley認為，為了在許多加工中實現(xiàn)可靠的刀具夾持，目前還沒有比這種傳統(tǒng)的、“廉價”的解決方案更好的夾持方法。但是，用戶在切削時可能要犧牲一部分剛性和穩(wěn)定性。
依靠摩擦力來保持夾持力的高端刀具夾頭(如熱裝式夾頭)已相當流行，但是，這些刀具夾頭也各有利弊。熱裝式夾頭的性能取決于刀具與夾頭都有合適的尺寸精度，以及包圍刀具柄部的熱膨脹孔具有適當?shù)氖湛s量。此外，與傳統(tǒng)的彈簧夾頭類似，熱裝夾頭也沒有保證刀具正確到位的強制鎖緊機構。
BigKaiser公司對各種類型刀具夾頭夾持粗加工立銑刀的有效性進行了對比評估，結果表明，機械式銑夾頭可以提供違禁詞的夾緊力，同時還能提供防止刀具拉脫的安全性和良好的平衡，并能覆蓋一定范圍的刀柄直徑尺寸。
Lyndex-Nikken公司的PrebenHansen指出，銑夾頭可以提供很大的機械夾持扭矩，“當人們對夾持扭矩有較高要求時，首先應該考慮采用銑夾頭。”在實際應用中，該公司UltraLock銑夾頭提供的夾持扭矩至少是液壓式夾頭和熱裝式夾頭的5倍，隨著夾頭尺寸的增大，其夾持扭矩也將成倍增大。
盡管該公司也提供熱裝式夾頭，但Hansen提醒用戶注意熱裝孔尺寸精度的差異，不同供應商提供的夾頭可能精度各不相同。良好的熱裝孔尺寸精度對于在整個夾持直徑范圍內獲得違禁詞夾持力至關重要。
但是，熱裝式夾頭的夾持力通常要大于足以完成一次加工的水平。Techniks公司的JohnStagge表示，任何刀具夾頭可以提供的夾持力都遠遠大于完成一次加工所必需的夾持力，“在切削加工行業(yè)，刀具滑移并不一定是一個大問題；關鍵是要采用合適的夾頭來夾持刀具。歸根結底，對于切削來說，真正重要的是夾頭的剛性和精度。”
Stagge強調，刀具夾頭的性能不能在一種“不真實”的實驗室條件下測試評估。當?shù)毒邐A頭安裝到真實的主軸上時，會產(chǎn)生不同的撓曲變形(取決于采用的切削速度和進給量)。變形小則表明刀具夾頭的剛性好。
Stagge認為，熱裝式夾頭可以提供最佳總體性能。該公司的扭矩測試顯示了熱裝夾頭在夾持直徑19mm刀具時出色的夾持能力。在切削中，夾頭良好的剛性確實有助于提高刀具壽命和加工質量。在較高的進給量和切削速度下，與銑夾頭相比，熱裝夾頭可使刀具壽命延長6－8倍。
