Question

高速切削加工刀具系统必须满足哪些要求

Answer 1

高速切削加工对刀具系统的要求概况
所谓刀具系统是指由刀柄、夹头和切削刀具所组成的完整的刀具体系,刀柄与机床主轴相连,切削刀具通过夹头或RBH搪头装入刀柄之中。要使刀具系统能在高速下进行切削加工,应满足以下基本条件：
较高的系统精度
系统精度包括系统定位夹持精度和刀具重复定位精度,前者指刀具与刀柄、刀柄与机床主轴的连接精度;后者指每次换刀后刀具系统精度的一致性。
较高的系统刚度
刀具系统的静、动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚度不足会导致刀具系统振动,从而降低加工精度,并加剧刀具的磨损,降低刀具的使用寿命。
较好的动平衡性
高速切削加工条件下,微小质量的不平衡都会造成巨大的离心力,在加工过程中引起机床的急剧振动。因此,高速刀具系统的动平衡非常重要。
目前,在数控铣床、数控镗床和加工中心上使用的传统刀柄是标准7∶24锥度实心长刀柄。这种刀柄与机床主轴的连接只是靠锥面定位,主轴端面与刀柄法兰端面间有较大间隙。这种刀柄结构在高速切削条件下会出现下列问题: 刀具动、静刚度低，动平衡性差和重复定位精度低。
HSK(德文Hohlschaftkegel缩写)刀柄（SK高速刀柄）是德国阿亨(Aachen)工业大学机床研究所在20世纪90年代初开发的一种双面夹紧刀柄,它是双面夹紧刀柄中最具有代表性的。
HSK刀柄由锥面(径向)和法兰端面(轴向)双面定位,实现与主轴的刚性连接,如图1所示。当刀柄在机床主轴上安装时,空心短锥柄与主轴锥孔能完全接触,起到定心作用。此时,HSK刀柄法兰盘与主轴端面之间还存在约0.1mm的间隙。在拉紧机构作用下,拉杆的向右移动使其前端的锥面将弹性夹爪径向胀开,同时夹爪的外锥面作用在空心短锥柄内孔的30°锥面上,空心短锥柄产生弹性变形,并使其端面与主轴端面靠紧,实现了刀柄与主轴锥面和主轴端面同时定位和夹紧的功能。

这种刀柄结构的主要优点是：
有效地提高刀柄与机床主轴的结合刚度；有较高重复定位精度,并且自动换刀动作快,有利于实现ATC的高速化。
KM刀柄是美国肯纳(Kennametal)公司与德国怀迪尔(Widia)公司于1987年联合开发出来的,与HSK刀柄并存的1∶10短锥空心柄,其结构如图2所示。KM刀柄首次提出了端面与锥面双面定位原理。KM刀柄采用了1∶10短锥配合长度短,仅为标准7∶24锥柄相近规格长度的1/3,部分解决了端面与锥面同时定位而产生的干涉问题。

对高速切削加工用刀柄的研究改型除了德国和美国外,日本一些公司也致力于对原7∶24实心长锥柄进行多种形式的改进,以达到双面定位,提高定位精度和刚度的目的。
BIG-PLUS刀柄的锥度仍然是7∶24。其工作原理是:将ISO刀柄装入主轴锥孔锁紧前,端面的间隙小。锁紧后利用主轴内孔的弹性膨胀补偿端面间隙,使刀柄端面与主轴端面贴紧,从而增大其刚度。这种刀柄同样采用了过定位,因而必须严格控制其形状精度和位置精度,其制造工艺难度比HSK刀柄还要高。