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热装式夹头发展动向及支撑技术刚玉砂轮

港宏机械网 2022-07-12 17:29:35

热装式夹头发展动向及支撑技术

在以切削加工为中心的制造技术方面,其具体目标是一种以复合切削和高速铣削为中心的切削加工技术,内容包括工序集约化、迅速实现高速高精度加工、采用多功能刀具、进行CNC高速切削、向微细形状加工发展等。为了满足上述要求,在加工技术方面,除了选用CNC机床外,还有一些共同特点,如必须在高速回转条件下,保证立铣刀等切削工具实现稳定切削,延长工具寿命。为此,必须努力实现切削工具和夹头的最佳配合。本文拟对热装式夹头最近的发展动向及其支撑技术作一个介绍。

高速高精度切削用夹具的条件

表1所示为2002年秋日本东京国际机床展览会(JIMTOF)上展出的适用于高速铣削的加工中心品种及最高主轴转速。 表1 2002JIMTOF展出的适用于高速铣削的加工中心 生产厂家-型号-主轴锥度-最大转速(r/min) 松浦机械制作所-LX-0-HT20〖〗60000 松浦机械制作所-LX-1-BT30-40000 森精机制作所-MICROMILL-HSK-E25-60000 OKUMA-MB-46V-SS-HSK-E25-60000 大阪机工-VP400-HSK-E40-50000 碌碌产业-NANO21-HSK-E25-50000 碌碌产业-MEGA-RS20-36000 碌碌产业-CEGA-HSK-E40-30000 ソディツク―MC430L―HSK-E25―40000 ソディツク―MC640L―HSK-E25―40000 SUGINO-/-S20TR-45000 牧野铣床制作所-HYPER2-φ6直接连接-40000 牧野铣床制作所-V33―HSK-F63―30000 新日本工机-UHP-120B—HSK-E63-32000 三井精机工业—VL30-5X—HSK-E32-30000 三菱重工业-M-V50-FM—HSK-F63—30000 ブラザ工业—TC-20A-15TR-30000 丰田工机-UH55-A40S-50000 不二越-AMG40C-/-50000 目前,转速达到3000~6000r/min的机种已大量投放市场,表明高速铣削加工已成为新型生产技术的有效手段之一。在高速铣削过程中,切削工具处于高速回转状态,此时所用的刀具夹头必须使切削工具保持良好的刃尖振摆精度和夹持刚性。 切削工具和夹头在高速回转条件下,如果不平衡量值较大,则会降低振摆精度,由于离心力的影响,还将降低夹持刚性。这类现象在普通切削加工中也时有发生,但其影响不如高速切削时明显,也未受到足够的重视。目前,高速高精度加工越来越普及,因此,要求切削工具必须具有更高的性能,而且应充分发挥其加工特点。热装式夹头就是为了满足这种需求而开发的新型刀具夹头,目前,这种夹头已大量用于高速高精度切削加工。热装式夹头用于现有的加工中心,可延长立铣刀的工具寿命,提高加工精度,效果十分明显,应用范围正在不断扩展。由工具系统厂家介绍的高速加工用弹簧夹头和热装式夹头发展状况可知,热装式夹头的增长比例相当高。

热装式夹头及适用实例 热装式夹头的夹紧原理应用了金属加热膨胀的特点,在夹头加热处于膨胀状态时,将工具插入,夹头冷却收缩后,即可将工具夹紧。过去,热装式夹头在德国、瑞士等欧洲地区使用较多,大都用于大型工具的夹持。例如,工件与加工形状相比,要求工具伸出长度较大进行切削时,便使用这种夹持刚性高的夹持方式。日本的工具系统厂商引进了这一技术,他们采用热膨胀系数大的金属,开发出一些新型热装式夹头,特点是尽可能减小夹持部分的直径,使之成为一种小巧轻便的夹持工具。热装式夹头与弹簧夹头夹持部分的对比表明,前者尽可能将工具延长部分控制在最小范围内,这种夹持方式使工具与工件的贴近更加紧密,与弹簧夹头相比,热装式夹头可进行精度更高的切削加工。 随着高速铣削的推广应用,在高切削速度条件下实现高精度高效率加工,要求刀具夹持系统必须稳定,工具寿命应尽可能延长,因此,近年来,热装式夹头在制造业中受到高度重视。为了配合热装式夹头的推广应用,工具制造商开发出许多专用刀具,如新开发的专用于热装式夹头的短型小直径刀具,如涂层硬质合金立铣刀和钻头等,这些刀具用于高速铣削加工时,其刃尖部分的振摆精度非常高,即使在高精度、微细形状加工等领域,仍可采用热装式夹紧装置。 在2002年秋季举办的日本国际机床展览会上,展出了许多适用于高速铣削的加工中心,在实际切削演示过程中,许多厂家都采用了热装式夹头。目前,这种夹紧方式作为高速铣削的适用夹头,受到用户的高度评价。

热装式夹头的性能优势 在各种夹紧方式(连接型热装式夹头、整体型热装式夹头、弹簧夹头、弹簧夹头和侧面锁紧式夹具相结合的夹头)的刀具伸出量(以有效长度表示)均为160mm的情况下,由刃尖振摆精度的比较可知,采用热装式夹头时,刃尖振摆精度最高,约为3~5μm,而其它夹头则为20~30μm,可见热装式夹头是进行高精度切削加工最理想的刀具夹紧方式。 弹簧夹头和热装式夹头的刚性比较(在刀具刃尖加载1kg负荷时产生的变形量情况)表明,越是小直径刀具,变形量的差别越大,刚性比值也越大,因此,小直径刀具和热装式夹头的组合有利于进行高精度切削加工。由夹持扭矩的比较中可看出,刀具柄部直径越大,使用弹簧夹头和热装式夹头的扭矩差别也越大。刀具回转时,受离心力的影响,立铣刀等刀具夹持部分的扩张量比较情况表明,转速越高,弹簧夹头和热装式夹头的扩张量差别也越大。由各种夹头在刀具静止时刃尖振摆精度、刚性和高速回转时的平衡状况可知,热装式夹头在各方面都具有突出的优越性能。

适用于热装式夹头的刀具 热装式夹头由于可将外径控制在最小限度之内,因此与工件等的贴近性能极为良好,配装的刀具可采用最短的长度。另外,用于高速铣削的刀齿形状、工具材料等均有一定的要求,如在高速回转、工具寿命、高精度等性能方面的标准均跃升到一个新的档次。迄今,适用于热装式夹头的刀具,仍以立铣刀为主,品种呈现出不断增多的趋势。如蘑茹形涂层硬质合金立铣刀,夹持部分细长,在进行垂直壁面切削或孔的精加工时,刀具与工件的贴近性能十分优异;刀齿最短的涂层硬质合金整体立铣刀是一种最大限度节省刀具材料的新型产品;CBN烧结体小直径立铣刀特别适用于高速铣削加工,是一种高精度长寿命刀具,采用热装式夹头后,在高速回转时的刃尖振摆精度非常高。在设计上述刀具时,要求实现小直径化,同时又能适应高速回转的需要,其动平衡性能必须十分优异。预计,今后这一趋势还将继续发展下去。

热装式夹紧装置的现状及发展 如前所述,热装式夹头是对刀具夹持部分加热至300℃左右,再将刀具柄部插入,冷却后即可将刀具夹紧,因此,加热装置是必不可少的设备。目前,以欧洲为中心的地区,大都采用电磁感应加热方式,日本也引进了此项技术,但仅用于以磁性金属为原材料的夹头。对于一些小直径刀具,则要求夹头具有很高的振摆精度,这类夹头大都采用热膨胀系数较大的特殊金属材料制作,对于这类夹头,最宜采用热风方式进行加热。 近来,新开发出一种适用于非磁性金属材料夹头的特殊电磁感应方式加热装置,该装置可在短暂时间内对不锈钢、钛合金等材料进行加热,因此,其使用领域并不局限于热装式夹头的加热,也可扩展至其它领域的加热。 目前,热装式夹头已开始作为标准夹头配置在高速加工中心上,这种加工中心配有直线电机驱动系统,主要用于高速高精度切削加工,预计今后这种使用趋势将不断增多。德国ZOLLER公司已开发出一种全自动热装式夹紧装置,这是为了迎接热装式夹头迅速推广而开发的产品。 高速铣削的普及工作已在日本国内铺开,欧洲及东南亚地区也在迅速扩展其使用领域。小直径刀具在每分钟数万转的高速回转条件进行切削,因此,要求刀具的夹持刚性和振摆精度必须很高,热装式夹头正好可满足此种要求,因而受到人们的普遍关注。目前,热装式夹头的采用已成为全球制造业的共同趋势。如前所述,采用热装方式夹紧刀具并非新的构想,但作为高速回转条件下高精度切削加工用的夹紧方式,这种夹头和刀具的有效组配却有了新的进展。热装式夹头不仅适用于高速铣削加工,而且正在探索其使用于高精度刀具磨削系统、超精密内圆磨削加工、某些工件夹紧等方面的可能性,如MST公司已开发出一种适用于内圆磨削的热装式工具夹头。

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