工具夾頭的四個質(zhì)量要素

國際金屬加工網(wǎng)

　　CNC加工中心在過去的30年間得到了持續(xù)改進(jìn)和發(fā)展距堂。如今這些機(jī)床的設(shè)計充分體現(xiàn)了柔性化，通過很小的結(jié)構(gòu)變化，就能夠應(yīng)用于從短期工具制造到長期產(chǎn)品生產(chǎn)的各種加工場合翅睛。過去曾采用焊接或鉚接裝配的飛機(jī)零部件，現(xiàn)在則可以在高速大功率加工中心上將整塊鋁坯掏空加工而成黑竞。汽車發(fā)動機(jī)過去幾乎完全由專用的傳送流水線進(jìn)行生產(chǎn)捕发，如今則趨于用加工中心進(jìn)行敏捷制造。這些加工中心都有一個基本特點(diǎn)：能夠自動更換工具而無需操作者干預(yù)。

　　工具夾頭在各種不同的切削刀具與加工中心主軸之間提供標(biāo)準(zhǔn)連接刷寨。它的工作方式與一個可調(diào)整的鉆夾頭類似翁骗，就像家庭維修工可以更換手提鉆的鉆頭一樣。加工中心的主軸孔和工具夾頭的柄部及法蘭均按標(biāo)準(zhǔn)制造铭懂，這些標(biāo)準(zhǔn)過去25年間在世界范圍內(nèi)得到了發(fā)展引笛。總的來說肉诚，這些標(biāo)準(zhǔn)的制定比較完備决毕，只要主軸和工具夾頭都符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，就可以保證它們之間的連接既牢靠又有很高的同心度嘀拂。

　　由于工具夾頭采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)浆菇，也由于它相對于機(jī)床主體而言創(chuàng)新發(fā)展較緩慢，因此在一些加工中心用戶中形成了一種揮之不去的印象：工具夾頭似乎是一種 “商品”（標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品）袱蔓。從今天在市場競爭中打拼獲得成功的工具夾頭制造商的數(shù)量來看竣伍，也很容易得出這一結(jié)論。但是一些終端用戶并不認(rèn)同“商品”的概念偏序。確實(shí)页畦，某種類型的所有工具夾頭看似相像，但肯定不會完全相同研儒。

工具夾頭的質(zhì)量差異

　　是什么原因使一種產(chǎn)品優(yōu)于另一種呢豫缨？在大多數(shù)金屬切削加工中，合格零件與廢品之間的區(qū)別常常在于關(guān)鍵尺寸上極微小的差異端朵。同樣好芭，一個高精度工具夾頭的不同之處也取決于所采用的制造公差。

評價指標(biāo)1：同心度

　　切削刀具的回轉(zhuǎn)軸線必須與機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)軸線精確一致冲呢。實(shí)現(xiàn)近于完美的同心度的方法雖然很明確舍败，但也很復(fù)雜。

　　首先敬拓，將工具夾頭的錐柄裝入對應(yīng)的主軸錐孔時邻薯，每一次都必須非常精確。為此乘凸，配合表面的錐角公差必須很小厕诡。這些公差由國家或國際標(biāo)準(zhǔn)委員會制定和頒布，一般可供任何人查閱营勤。制造完成的工具夾頭要用量規(guī)檢測其圓度和錐角倘封，而這些量規(guī)則由實(shí)物基準(zhǔn)規(guī)來標(biāo)定。生產(chǎn)現(xiàn)場采用的測量方法各不相同模鹿，從實(shí)物接觸機(jī)械式測量帚萧、實(shí)物接觸/電子模擬量測量到非接觸模擬量測量（如氣動量規(guī)）忌舔。所有這些行之有效的方法都有一個共同特點(diǎn)：都要用實(shí)物基準(zhǔn)規(guī)來標(biāo)定。

　　不同工具夾頭制造商的基準(zhǔn)規(guī)之間存在明顯的差異秆刑。這一肯定的判斷是基于多年來對不同制造商的工具夾頭產(chǎn)品進(jìn)行成百上千次測量的結(jié)果。簡言之虏斤，它們的確不同唧谊。即使假定市場銷售的所有工具夾頭均與它們各自對應(yīng)制造商的基準(zhǔn)規(guī)相符，但不同的制造商采用的基準(zhǔn)規(guī)卻并不相同脊距。隨之產(chǎn)生了一個問題：不同制造商的工具夾頭與機(jī)床主軸的適配性也不盡相同露惑。其原因很簡單：沒有標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)錐度的“母基準(zhǔn)規(guī)”。雖然位于馬里蘭州的美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所（NIST）和一些高水平計量實(shí)驗(yàn)室（如位于俄亥俄州的Timken公司實(shí)驗(yàn)室）具備了在確定環(huán)境條件下采用具有適配精度的回轉(zhuǎn)工作臺測量錐度的能力种诫，但沒有單一基準(zhǔn)實(shí)物量規(guī)能夠方便地檢定其它具有相同尺寸和錐度的實(shí)物量規(guī)钢老。可以理解烫饼，在沒有單一基準(zhǔn)源或可供所有量規(guī)溯源的基準(zhǔn)規(guī)的情況下猎塞，市場上不同廠家的產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定尺寸的符合程度就存在差異，而這些差異將影響與主軸的配合質(zhì)量杠纵。下面作進(jìn)一步分析荠耽。

　　現(xiàn)在討論的仍是使工具與主軸中心線同心的問題。即使主軸適配性混亂的問題很快得到解決比藻，問題也會轉(zhuǎn)向工具夾頭的業(yè)務(wù)終端：由于目前還沒有錐度基準(zhǔn)的國家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)铝量，因此工具夾頭的終端用戶更有理由對產(chǎn)品失去信心。國際或各國標(biāo)準(zhǔn)化組織（如ISO银亲、ANSI慢叨、JIS、DIN等）已對主軸與工具夾頭的錐度適配性和工具更換功能作出了相應(yīng)規(guī)定务蝠。但另一方面拍谐，切削刀具與工具夾頭的適配性則取決于工具夾頭制造商，他們自行設(shè)定立銑刀夾頭的內(nèi)徑公差请梢、套筒夾頭的錐角公差以及套式銑刀軸的端面垂直度等赠尾，他們還自行制定工具夾頭的夾持部與連接機(jī)床主軸的錐柄的同心度。這樣笋棵，只有工具夾頭制造商能給他們自己的機(jī)床配備專用夾具次翩，以機(jī)床主軸的接口面作為參照面，加工出適配的錐柄工作表面蛾岳。

　　在結(jié)束關(guān)于同心度的討論之前鹿吴，還必須考慮一個更具普遍性的變數(shù)——制造商本身是否具有不僅能生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，而且能始終如一地長期生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的能力簿睦。在任何制造業(yè)中干策，不同制造廠商具備的能日復(fù)一日長期制造高質(zhì)量產(chǎn)品的能力都不盡相同儿猪。在你自己的業(yè)務(wù)范圍內(nèi)，你總能列舉出好的和不太好的競爭對手及供應(yīng)商的名字彩淮。通常在每個市場中總有一個龍頭企業(yè)相梳，而好的制造商都會努力爭取獲得這種地位。

　　總之懊潜，對于工具夾頭的首要質(zhì)量指標(biāo)——同心度而言奢惋，完全有理由相信，由不同制造商生產(chǎn)的工具夾頭可能因計量檢測乔蜀、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)啸盲、公差及制造能力不同而存在質(zhì)量差異。

評價指標(biāo)2：夾持強(qiáng)度

　　絕大多數(shù)工具夾頭都按照標(biāo)準(zhǔn)制造咱士，具有非常相似的外觀立由。CAT、BT或HSK系統(tǒng)都是側(cè)面鎖緊式立銑夾頭序厉，可利用一個緊固螺釘頂緊刀具上的一個平面锐膜，以防止刀具松動。它們可以使用標(biāo)準(zhǔn)夾套脂矫，使夾頭在夾持不同直徑刀具時具有更好的適配性枣耀，也可以專門用于夾持螺紋刀具或莫氏錐柄鉆頭，此外還有其它功能庭再。事實(shí)上捞奕，每個CNC工具夾頭制造商都在努力提供適用于大多數(shù)切削刀具和機(jī)床主軸的解決方案。

　　夾持力是防止刀具在夾頭中轉(zhuǎn)動的能力拄轻。使用夾套是引起夾持力變化的主要原因颅围。通常應(yīng)首選單角夾套，如ER和TG系列產(chǎn)品恨搓。單角夾套能施加更大的夾持力院促，并能保證極好的同心度。但像工具夾頭一樣雳犹，不同制造商生產(chǎn)的夾套之間也有很大差異满傍。為使由夾頭、夾套和刀具構(gòu)成的組件能獲得盡可能好的同心度娶讽，必須采用專用量具或高精度刀具預(yù)調(diào)儀來測量同心度伞注。為了獲得夾持力與同心度的最佳組合，應(yīng)采用液壓夾頭或熱縮夾頭涉等，這樣可以完全不必使用夾套搜掸。

　　一些制造商仍可提供用于極端加工場合的重載套筒夾頭和立銑夾頭。但是程挑，除了液壓和熱縮技術(shù)可能有所不同外酝螃，大多數(shù)制造商都在復(fù)制彼此的產(chǎn)品系列普易，因此市場上的工具夾頭產(chǎn)品在外觀上令人吃驚地千篇一律，不同之處僅在于各自采用的制造方式疾隙。這就又回到了前面得出的結(jié)論：差異在于制造商的檢測方式畜股、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、公差大小以及——最重要的——制造能力的不同鸯两』得椋總而言之，各種工具夾頭不可能完全相同甩卓。

評價指標(biāo)3：檢測

　　這里有一個可說明工具夾頭檢測差異的例子：6年前，COMMAND TOOLING SYSTEMS公司開始按照HSK標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)工具夾頭蕉斜，首先購買了所需的量具逾柿。獲得量具后經(jīng)過測量比對，發(fā)現(xiàn)不少競爭對手（當(dāng)時大部分為歐洲制造商）生產(chǎn)的HSK工具夾頭與我們從德國獲得的基準(zhǔn)量規(guī)相比變化范圍相當(dāng)大宅此。結(jié)果令人吃驚：所檢測的產(chǎn)品沒有一件位于公差范圍之內(nèi)机错。為了確保檢測結(jié)果正確，我們又從德國另一家量規(guī)制造商處購買了一個新的基準(zhǔn)量規(guī)父腕。令人吃驚的是弱匪，這兩個量規(guī)完全一致，區(qū)別僅在于制造方法不同璧亮。制造符合HSK標(biāo)準(zhǔn)的工具夾頭畢竟不是在公園里散步萧诫，因此應(yīng)該得到更好的檢測結(jié)果。

　　每一個被加工產(chǎn)品都有公差枝嘶，主要用于衡量制造變化量的大小——變化越小帘饶，公差越緊。因此膜暴，上述事例并不否認(rèn)被檢測的夾頭在某種水平上（或?qū)τ谀承┲鬏S）能夠使用疯煮。但是，工具夾頭制造商卻無法控制夾頭的終端使用情況道暑。如果提供銷售的夾頭產(chǎn)品就未達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)特掀，則夾頭制造商對于夾頭嚴(yán)重偏離標(biāo)準(zhǔn)的情況也無能無力。

評價指標(biāo)4：平衡

　　如今銷售的越來越多的加工中心配備了設(shè)計最高轉(zhuǎn)速達(dá)10000rpm或更高的主軸人蕊。用于這些機(jī)床的刀具不但必須具有很好的同心度和高強(qiáng)度葬聘，而且必須與主軸一樣進(jìn)行精細(xì)的平衡，否則將會產(chǎn)生有害的振動而引起震顫摇蝗，從而降低加工表面光潔度萧状，縮短刀具壽命。在不平衡量很大的極端情況下裆蛆，還可能造成主軸損壞捣兄。近年來已有不少文獻(xiàn)對工具夾頭的平衡問題進(jìn)行了探討褐袒，在此無需重復(fù)。但其中很重要的一點(diǎn)是稍浆，因刀具/工具夾頭組合系統(tǒng)不平衡而產(chǎn)生的離心力與主軸轉(zhuǎn)速的平方成正比载碌。如果在轉(zhuǎn)速1000rpm時產(chǎn)生的力可忽略不計的話，轉(zhuǎn)速10000rpm時產(chǎn)生的力則是其100倍衅枫，20000rpm時的力則是其400 倍嫁艇。因此，在主軸轉(zhuǎn)速不斷提高的情況下弦撩，要求具有極好的同心度顯得更為重要步咪，因?yàn)槿绻毒呋剞D(zhuǎn)偏離了主軸中心線，它將成為附加不平衡量的一個主要來源益楼。

　　工具夾頭的不平衡通常來源于功能性設(shè)計猾漫，如立銑夾頭中的鎖緊螺釘或CAT夾頭中傳動槽的深度不等。但由于許多原因感凤，不平衡量的產(chǎn)生常常是隨機(jī)性的悯周。無論不平衡源于何處，都需要去除一部分材料陪竿，以消除不平衡量禽翼，起到修正作用。另一種解決辦法是使用可調(diào)平衡刀具夾頭播窒，用戶可通過調(diào)整徑向螺釘或平衡環(huán)來消除不平衡硫忆。在此情況下，需要確定工具夾頭不平衡的位置和大小挨这，而這就需要使用復(fù)雜的平衡檢測儀俯炮。在某些情況下，車間最好使用來源可靠的缰伶、經(jīng)過預(yù)平衡的工具夾頭敦浅，并配套使用高質(zhì)量的切削刀具，與購買和使用動平衡儀相比壮煎，這樣性價比更高赛琢。

不可忽視工具夾頭

　　許多事例表明，通過改善主軸適配性触迄、同心度和平衡性能悴碳，可以降低加工難度。從事模具制造的Gem Tool公司通過簡單地將夾套系統(tǒng)由雙角設(shè)計更換為單角的DR20系列惦参，改善了同心度和換刀重復(fù)性灾囊，使刀具壽命和加工精度都得到了提高。波音公司在加工復(fù)合材料儀表板時腥刹，由于刀具非常小马胧，幾乎不允許有不平衡引起的誤差汉买，因此為轉(zhuǎn)速30000rpm的彈簧夾頭設(shè)計了特殊的突出部，進(jìn)一步提高了夾頭的平衡性和同心度佩脊。另一個明尼蘇達(dá)州的制造商用單點(diǎn)金剛石刀片對幾十萬個孔進(jìn)行單點(diǎn)鏜孔加工蛙粘，孔的公差僅為0.0003in.（0.007mm）。要通過多次自動換刀完成如此高精度的加工操作威彰，主軸的適配精度極其重要出牧。

　　在上述加工實(shí)例中，有些屬于極端加工條件歇盼，有些則不是（如更換夾套系列）舔痕。關(guān)鍵在于，如果沒有精確的主軸適配性豹缀、同心度和良好的動平衡赵讯，要在這種極端條件下完成加工實(shí)際上是不可能的。而將這些理念應(yīng)用于車間的日常加工中也大有裨益耿眉。精確的主軸適配性可提高批量加工零件的重復(fù)精度，在生產(chǎn)過程中易于保證公差淳某，從而降低加工成本溅鞠。高的同心度可使刀具每齒切削負(fù)荷均衡，刀具壽命延長馍上，從而減少刀具費(fèi)用和輔助工時仙茴。良好的平衡能充分發(fā)揮機(jī)床的加工能力，提高工效哑暮，減少工時签梭。

　　希望降低加工過程可變性的精密制造商應(yīng)認(rèn)真考慮高質(zhì)量工具夾頭的邊際成本差異。良好的工具夾頭能夠在增加生產(chǎn)效率的同時減少刀具費(fèi)用和輔助工時奕碑。

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加工中心機(jī)床刀具加工量規(guī)金屬切削

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