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工具夹头的四个质量要素


CNC 加工中心在过去的 30 年间得到了持续改进和发展。如今这些机床的 设计充分体现了柔性化,通过很小的结构变化,就能够应用于从短期工具制造到 长期产品生产的各种加工场合。过去曾采用焊接或铆接装配的飞机零部件,现在 则可以在高速大功率加工中心上将整块铝坯掏空加工而成。 汽车发动机过去几乎 完全由专用的传送流水线进行生产,如今则趋于用加工中心进行敏捷制造。这些 加工中心都有一个基

本特点:能够自动更换工具而无需操作者干预。 工具夹头在各种不同的切削刀具与加工中心主轴之间提供标准连接。它的 工作方式与一个可调整的钻夹头类似, 就像家庭维修工可以更换手提钻的钻头一 样。加工中心的主轴孔和工具夹头的柄部及法兰均按标准制造,这些标准过去 25 年间在世界范围内得到了发展。总的来说,这些标准的制定比较完备,只要 主轴和工具夹头都符合标准规定, 就可以保证它们之间的连接既牢靠又有很高的 同心度。 由于工具夹头采用标准结构,也由于它相对于机床主体而言创新发展较缓 慢,因此在一些加工中心用户中形成了一种挥之不去的印象:工具夹头似乎是一 种“商品”(标准化产品) 。从今天在市场竞争中打拼获得成功的工具夹头制造商 的数量来看, 也很容易得出这一结论。 但是一些终端用户并不认同“商品”的概念。 确实,某种类型的所有工具夹头看似相像,但肯定不会完全相同。 工具夹头的质量差异 是什么原因使一种产品优于另一种呢?在大多数金属切削加工中,合格零 件与废品之间的区别常常在于关键尺寸上极微小的差异。同样,一个高精度工具 夹头的不同之处也取决于所采用的制造公差。 评价指标 1:同心度 切削刀具的回转轴线必须与机床主轴的回转轴线精确一致。 实现近于完美的 同心度的方法虽然很明确,但也很复杂。 首先,将工具夹头的锥柄装入对应的主轴锥孔时,每一次都必须非常精确。 为此,配合表面的锥角公差必须很小。这些公差由国家或国际标准委员会制定和 颁布,一般可供任何人查阅。制造完成的工具夹头要用量规检测其圆度和锥角, 而这些量规则由实物基准规来标定。生产现场采用的测量方法各不相同,从实物 接触机械式测量、 实物接触/电子模拟量测量到非接触模拟量测量 (如气动量规) 。 所有这些行之有效的方法都有一个共同特点:都要用实物基准规来标定。 不同工具夹头制造商的基准规之间存在明显的差异。这一肯定的判断是基 于多年来对不同制造商的工具夹头产品进行成百上千次测量的结果。简言之,它 们的确不同。 即使假定市场销售的所有工具夹头均与它们各自对应制造商的基准

规相符,但不同的制造商采用的基准规却并不相同。随之产生了一个问题:不同 制造商的工具夹头与机床主轴的适配性也不尽相同。其原因很简单:没有标定标 准锥度的“母基准规”。虽然位于马里兰州的美国国家标准和技术研究所(NIST) 和一些高水平计量实验室(如位于俄亥俄州的 Timken 公司实验室)具备了在确 定环境条件下采用具有适配精度的回转工作台测量锥度的能力, 但没有单一基准 实物量规能够方便地检定其它具有相同尺寸和锥度的实物量规。可以理解,在没 有单一基准源或可供所有量规溯源的基准规的情况下, 市场上不同厂家的产品与 标准规定尺寸的符合程度就存在差异,而这些差异将影响与主轴的配合质量。下 面作进一步分析。 现在讨论的仍是使工具与主轴中心线同心的问题。即使主轴适配性混乱的 问题很快得到解决,问题也会转向工具夹头的业务终端:由于目前还没有锥度基 准的国家标准或国际标准,因此工具夹头的终端用户更有理由对产品失去信心。 国际或各国标准化组织(如 ISO、ANSI、JIS、DIN 等)已对主轴与工具夹头的 锥度适配性和工具更换功能作出了相应规定。但另一方面,切削刀具与工具夹头 的适配性则取决于工具夹头制造商,他们自行设定立铣刀夹头的内径公差、套筒 夹头的锥角公差以及套式铣刀轴的端面垂直度等, 他们还自行制定工具夹头的夹 持部与连接机床主轴的锥柄的同心度。这样,只有工具夹头制造商能给他们自己 的机床配备专用夹具,以机床主轴的接口面作为参照面,加工出适配的锥柄工作 表面。 在结束关于同心度的讨论之前,还必须考虑一个更具普遍性的变数——制 造商本身是否具有不仅能生产优质产品, 而且能始终如一地长期生产优质产品的 能力。在任何制造业中,不同制造厂商具备的能日复一日长期制造高质量产品的 能力都不尽相同。在你自己的业务范围内,你总能列举出好的和不太好的竞争对 手及供应商的名字。通常在每个市场中总有一个龙头企业,而好的制造商都会努 力争取获得这种地位。 总之,对于工具夹头的首要质量指标——同心度而言,完全有理由相信, 由不同制造商生产的工具夹头可能因计量检测、产品标准、公差及制造能力不同 而存在质量差异。 评价指标 2:夹持强度 绝大多数工具夹头都按照标准制造,具有非常相似的外观。CAT、BT 或 HSK 系统都是侧面锁紧式立铣夹头,可利用一个紧固螺钉顶紧刀具上的一个平 面,以防止刀具松动。它们可以使用标准夹套,使夹头在夹持不同直径刀具时具 有更好的适配性,也可以专门用于夹持螺纹刀具或莫氏锥柄钻头,此外还有其它 功能。事实上,每个 CNC 工具夹头制造商都在努力提供适用于大多数切削刀具

和机床主轴的解决方案。 夹持力是防止刀具在夹头中转动的能力。使用夹套是引起夹持力变化的主 要原因。通常应首选单角夹套,如 ER 和 TG 系列产品。单角夹套能施加更大的 夹持力,并能保证极好的同心度。但像工具夹头一样,不同制造商生产的夹套之 间也有很大差异。 为使由夹头、 夹套和刀具构成的组件能获得尽可能好的同心度, 必须采用专用量具或高精度刀具预调仪来测量同心度。 为了获得夹持力与同心度 的最佳组合,应采用液压夹头或热缩夹头,这样可以完全不必使用夹套。 一些制造商仍可提供用于极端加工场合的重载套筒夹头和立铣夹头。 但是, 除了液压和热缩技术可能有所不同外,大多数制造商都在复制彼此的产品系列, 因此市场上的工具夹头产品在外观上令人吃惊地千篇一律, 不同之处仅在于各自 采用的制造方式。这就又回到了前面得出的结论:差异在于制造商的检测方式、 企业标准、公差大小以及——最重要的——制造能力的不同。总而言之,各种工 具夹头不可能完全相同。 评价指标 3:检测 这里有一个可说明工具夹头检测差异的例子:6 年前, COMMAND TOOLING SYSTEMS 公司开始按照 HSK 标准生产工具夹头,首先 购买了所需的量具。获得量具后经过测量比对,发现不少竞争对手(当时大部分 为欧洲制造商)生产的 HSK 工具夹头与我们从德国获得的基准量规相比变化范 围相当大。结果令人吃惊:所检测的产品没有一件位于公差范围之内。为了确保 检测结果正确,我们又从德国另一家量规制造商处购买了一个新的基准量规。令 人吃惊的是,这两个量规完全一致,区别仅在于制造方法不同。制造符合 HSK 标准的工具夹头毕竟不是在公园里散步,因此应该得到更好的检测结果。 每一个被加工产品都有公差,主要用于衡量制造变化量的大小——变化越 小,公差越紧。因此,上述事例并不否认被检测的夹头在某种水平上(或对于某 些主轴)能够使用。但是,工具夹头制造商却无法控制夹头的终端使用情况。如 果提供销售的夹头产品就未达到相关标准, 则夹头制造商对于夹头严重偏离标准 的情况也无能无力。 评价指标 4:平衡 如今销售的越来越多的加工中心配备了设计最高转速达 10000rpm 或更高 的主轴。用于这些机床的刀具不但必须具有很好的同心度和高强度,而且必须与 主轴一样进行精细的平衡,否则将会产生有害的振动而引起震颤,从而降低加工 表面光洁度,缩短刀具寿命。在不平衡量很大的极端情况下,还可能造成主轴损 坏。近年来已有不少文献对工具夹头的平衡问题进行了探讨,在此无需重复。但

其中很重要的一点是,因刀具/工具夹头组合系统不平衡而产生的离心力与主轴 转速的平方成正比。如果在转速 1000rpm 时产生的力可忽略不计的话,转速 10000rpm 时产生的力则是其 100 倍,20000rpm 时的力则是其 400 倍。因此,在 主轴转速不断提高的情况下,要求具有极好的同心度显得更为重要,因为如果刀 具回转偏离了主轴中心线,它将成为附加不平衡量的一个主要来源。 工具夹头的不平衡通常来源于功能性设计,如立铣夹头中的锁紧螺钉或 CAT 夹头中传动槽的深度不等。但由于许多原因,不平衡量的产生常常是随机 性的。无论不平衡源于何处,都需要去除一部分材料,以消除不平衡量,起到修 正作用。另一种解决办法是使用可调平衡刀具夹头,用户可通过调整径向螺钉或 平衡环来消除不平衡。在此情况下,需要确定工具夹头不平衡的位置和大小,而 这就需要使用复杂的平衡检测仪。在某些情况下,车间最好使用来源可靠的、经 过预平衡的工具夹头,并配套使用高质量的切削刀具,与购买和使用动平衡仪相 比,这样性价比更高。 不可忽视工具夹头 许多事例表明,通过改善主轴适配性、同心度和平衡性能,可以降低加工 难度。从事模具制造的 Gem Tool 公司通过简单地将夹套系统由双角设计更换为 单角的 DR20 系列,改善了同心度和换刀重复性,使刀具寿命和加工精度都得到 了提高。波音公司在加工复合材料仪表板时,由于刀具非常小,几乎不允许有不 平衡引起的误差,因此为转速 30000rpm 的弹簧夹头设计了特殊的突出部,进一 步提高了夹头的平衡性和同心度。 另一个明尼苏达州的制造商用单点金刚石刀片 对几十万个孔进行单点镗孔加工,孔的公差仅为 0.0003in.(0.007mm) 。要通过 多次自动换刀完成如此高精度的加工操作,主轴的适配精度极其重要。 在上述加工实例中,有些属于极端加工条件,有些则不是(如更换夹套系 列) 。关键在于,如果没有精确的主轴适配性、同心度和良好的动平衡,要在这 种极端条件下完成加工实际上是不可能的。 而将这些理念应用于车间的日常加工 中也大有裨益。精确的主轴适配性可提高批量加工零件的重复精度,在生产过程 中易于保证公差,从而降低加工成本。高的同心度可使刀具每齿切削负荷均衡, 刀具寿命延长,从而减少刀具费用和辅助工时。良好的平衡能充分发挥机床的加 工能力,提高工效,减少工时。 希望降低加工过程可变性的精密制造商应认真考虑高质量工具夹头的边际 成本差异。良好的工具夹头能够在增加生产效率的同时减少刀具费用和辅助工 时。


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