分享到:
您好,欢迎来到东莞市冉宏五金机械有限公司的官方网站!设为首页 联系我们 网站地图
   
相关链接: 冉宏阿里 | 冉宏淘宝 | 支持中心
网站首页   关于我们   黛杰刀片   西门德克铣刀   数控刀柄   KMG车刀   新闻中心   KMG钨钢铣刀   样本下载   联系我们
搜索:

机械加工的好帮手,冉宏五金机械为您一路出谋划策...

焦点图
  新闻中心
公司动态
数控刀柄技术
CNC刀具技术
  联系方式

联系人:胡一刀先生

电 话:0769-82289738

邮 箱:hu@ranhongtools.com 

地 址:广东省东莞市长安镇商贸城G1栋16号

扫描二维码访问手机网站

 
CNC刀具技术  
高速加工中的刀柄夹持与铣刀
日期:2015-04-07

目前 高速数控加工用工具系统的发展摘要:计算机辅助在《数控机床》教学中应用实例滚珠丝杠、直线导轨的现状及动向科学家设计出超硬新材料二硼化铼采用多功能机床高效加工PCD刀具加工中心操作要领重大装备禁限目录拟就走向复合加工——发动机曲轴加工的必然趋势59600镁粉搅拌机操作规程 数控铣床加工较复杂的零件轮廓从成组技术到精益生产数控机床技术常用术语NSK开发出小型轻量化轮毂组件转台报警的故障维修多功能嵌入式柔性数控铣床研制工作报告发挥CBN刀磨具研究院所的主导作用 仿形凸轮的磨削高效率加工技术 数控机床故障分析的基本方法模具数控加工CAM编程中工艺参数的确定高强度钢的焊接 [标签:tag] 摘要:介绍了高速数控加工用工具系统在工具柄、夹紧技术、刀具材料、涂层材料、动平衡、安全性要求等方面的发展概况。 1 引言 在机械制造技术的发展中,机床与工具总是相辅相成、相互促进的。高性能机床对刀具材料和刀具结构提出了更高要求,同时又为新型刀具材料和先.


简要:

1 引言

在机械制造技术的发展中,机床与工具总是相辅相成、相互促进的。高性能机床对刀具材料和刀具结构提出了更高要求,同时又为新型刀具材料和先进的刀具结构提供了“用武之地”及发展空间。近年来,国外制造业(尤其是大批量生产的轿车工业和批量生产的飞机工业)己开始大量采用高切削速度、高进给速度和高结构刚性的新型数控机床。在轿车工业中,出现了用高速单轴加工中心代替多轴组合机床的趋势,这样在大批量生产中既具有高度柔性,以适应产品快速更新换代的要求,同时又不会降低生产效率。在飞机工业中,由于多采用对铝合金板材“掏空”的方式加工零件,因此金属切除量很大(加工去除的金属重量占毛坯总重的95%~97%) ,因此要求更高的切削效率。在20th JIMTOF 和IMTS2000展览会上,展出了转速高达20,000~60,000r/min、进给速度高达60m/min(甚至100m/min)的高速加工中心。为满足高速切削对刀具性能的要求,很多新型的刀具材料、涂层工艺及刀具结构已得到广泛应用。如在数控工具系统方面,开发了几种新型的工具柄(HSK空心短锥柄等)和新的刀具夹持方法。此外,对于高速切削刀具,除对切削性能和重复定位精度具有较高要求外,对刀具的动平衡精度和安全性也具有相应要求。

图1 HSK柄在孔中拉紧前后的接触情况

图2 HSK柄和KM柄的结构

2 几种新型双面夹紧工具柄

随着现代切削技术的迅速发展,传统的7:24锥柄已不能适应转速在10,000r/min以上的高速、高精度加工的要求。为此,工业发达国家的工具厂家发展了几种新型的双面夹紧工具柄。现按不同国别作一介绍。
    德国 经过大量实验研究及生产验证,一种全新的HSK( Hohlschaftekegel)空心短锥柄于九十年代初在德国开发成功。这种工具柄部结构(如图1所示)是双面夹紧工具柄中最具代表性的结构型式,已于1996年列入德国DIN标准,并于2001年12月成为国际标准ISO12164。在此前对草案ISO/DIS12164与ISO/FDIS12164 的表决中,多数工业发达国家(德、法、意、英、日等)均表示赞同,中国也投了赞成票。由于其刚性和重复安装精度较7:24锥柄提高了几倍至几十倍,因此得到了世界制造业的广泛认同,甚至在其尚未正式列入DIN标准之前,就已在德国的汽车、飞机等制造行业中得到广泛采用。例如在德国奔驰汽车公司和大众汽车公司的Salzgitter工厂中,HSK被广泛用于铣削、钻削和车削加工中,从而有效提高了加工精度和刀具寿命。由于HSK柄大大增加了工具系统的刚性,从而使整体硬质合金刀具以及由金属陶瓷、陶瓷、CBN 、PCD等硬脆材料制成的高效刀具在轿车生产线上得以普及应用,有效提高了生产效率。因此,HSK双面夹紧刀柄工具的采用已成为轿车生产线先进性的重要标志之一。日本 日本一些公司也致力于对7:24长锥柄进行多种形式的改进,以达到双面(圆锥面和端面)接触、提高定位精度和刚性的目的。如NIKKEN公司的3 LOCK SYSTEM锥柄和BIG DAISHOWA SEIKI公司的BIG PLUS精密锥柄等都是在7:24锥柄基础上进行了一定改进。虽然这些改进型锥柄可与原7:24锥柄互换使用,但从适应机床转速进一步高速化的发展要求来看,1:10短锥空心柄更具发展前途。所以,更多日本公司还是积极采用德国DIN标准的HSK柄,如NT工具公司、黑田精工、圣和精机、住友电工、三菱金属、YUKIVA等都先后引进了HSK生产技术,使HSK柄工具系统在日本得到迅速普及。美国 美国Kennametal公司开发了另一种与HSK并存的1:10短锥空心柄——KM柄。这两种锥柄的结构特点如图2和表1所示。但是,美国的通用、福特汽车公司、波音飞机公司等都较早采用了德国DIN标准规定的HSK柄。虽然美国没有对DIS/DIS12164草案投赞成票,但其国内越来越多的工具制造商(如Valenite、TSD等)都在按DIN标准生产HSK柄的工具产品。HSK德国DIN标准与最近颁布的HSK国际标准的区别

    HSK安装孔公差带

    HSK空心锥柄公差带
    图3 两种标准的HSK安装孔公差带对比
    表1 HSK柄和KM柄的结构对比
    刀柄类型 HSK KM
    与主轴结合面 锥面 端面 锥面 端面
    刀柄夹紧结构 用卡爪 用钢球
    刀柄规格 HSK-63B KM6350
    夹持直径 Ø38mm Ø40mm
    柄部形式 空心短锥柄 空心短锥柄
    夹紧力 18kN 33.5kN
    夹紧后过盈量 3~10µm 10~25µm
    柄部锥度 1:10 1:10
    目前已广泛应用的德国DIN69893-1标准与国际标准ISO12164之间的区别在于对HSK短锥空心柄尺寸的标注方法不同。DIN标准是通过规定短锥特定位置上大端直径d2和小端直径d3的直径公差来控制锥度形状位置。ISO12164标准则仍然采用常规锥度的标注方法,即只标注大端直径和锥度比值.并不直接给出理想尺寸的公差值。由图3和表2可知,按两种标准加工出的柄部完全可以互换使用。但按ISO12164必规定的理想尺寸,其锥柄与锥孔配合的过盈量一般要比DIN标准规定的大一些。
由于HSK柄部的型式、结构尺寸、技术要求等在标准中都有明确规定,各国工具生产厂均可按用户要求提供各种HSK成套工具及检测用量规、量具、量仪等.因此在互换性方面不存在太大问题。如一汽一大众轿车生产线配置的进口刀具就来自Valennite、Mapal、Guhring、Gildmeister、Widia、Schunk等多家工具生产厂,虽然这些刀具的工作部分各不相同(如Valenite、Gildmeister公司主要提供组合式孔加工刀具,Guhring公司上要提供孔加工刀具、各种HSK刀具夹头及其手动、机动装夹组件、相关工装和量具、量规等,Mapal公司主要提供单刃铰刀、复合单刃铰刀、高速切削面铣刀等),但由于刀具柄部均采用HSK,因此刀具之间的互换性较好。另外,据有关资料介绍,Mapal公司2000年在东京展出的高速切削面铣刀产品已实现系列化,刀具直径规格从Ø63~500mm,刀体材料采用高强度铝合金,刀齿采用小刀头形式,刀刃材料为金刚石。其中.Ø80mm面铣刀的最大允许转速为24360r/min;Ø400mm面铣刀的最大允许转速为6100r/min(相当于离心力可导致刀体破碎的危险速度的一半)。
表2 ISO12164-1/-2(2001年)与DIN69893-1/69063-1(1996年)的标注方法对比

3 适用于高速切削的新型夹头

在高速切削中,为提高刀具与夹头之间的连接精度,增大夹紧力,以适应刀具高速回转时的平衡要求,同时便于刀具加工深腔模具时接近工件,要求夹头的轮廓尺寸较小,因此传统的弹簧夹头已不再适用。为此开发了许多新的夹紧方法及夹头结构,如强力弹簧夹头、液压夹头、热装夹头、TRIBOS夹头、动平衡夹头等。

    图4 大昭和公司MEGA夹头系列

    图5 SCHUNK公司液压夹头
    强力弹簧夹头 典型产品如日本大昭和公司生产的HMC和MEGA夹头(见图4) ,主要用于夹持立铣刀进行强力粗铣和模具加工,夹紧力可达300kgm,使用速度可达40,000r/min。液压夹头 液压夹头的夹持直径一般在32mm以下,在距夹头端部40mm处夹持的径向跳动小于3µm,夹紧力超过83MPa。这种夹头的优点是夹紧力均匀,夹持精度和重复精度高,对振动具有阻尼作用,工作寿命比机械夹头提高3~4倍。另外,液压夹头出厂前都经过动平衡,适用于主轴转速在15,000~40,000r/min 之间的高速加工,图4所示为SCHUNK公司生产的液压夹头。目前SCHUNK公司、EPB公司、大昭和公司等均可生产完整系列的液压夹头产品。热装式夹头 在2000 JIMTOF展览会展出的高速加工中心上普遍采用了热装式夹头。这种夹头的夹持原理是利用感应加热装置在短时间内加热刀柄的夹持部分,使刀柄内径随之胀大,装入刀具后,内孔随刀柄冷却而收缩,从而将刀具夹紧。与液压夹头相比,热装式夹头的夹持精度更高,传递扭矩增大1.5~2倍,径向刚度提高2~3倍,能承受更大的离心力,因此非常适合夹持整体硬质合金铣刀高速铣削淬硬钢模具。日本、德国等国的工具厂商已开发了用于刀具装卸的相应加热装置。如德国OTTO BILZ公司的Thermo grip夹头采用高能场的感应加热线圈,可在10秒钟内加热夹头夹持部位,装卸刀具后,整个夹头可在60秒内完全冷却,因此可实现刀具的快速更换。由于加热温度在400℃ 以下,远低于材料相变温度,因此重复使用2,000次后夹头精度仍可保持不变。HSK-63A~HSK100A的夹头对应于15,000r/nTiN转速的平衡等级为G2.5级。TRIBOS夹头 TRIBOS三棱变形夹头是SCHUNK公司开发的另一种用于模具加工刀具的夹紧方式。这种夹头无夹紧元件,完全依靠夹持部分的弹性变形来夹紧刀具。它首次出现在CIMT'99展览会上。动平衡夹头 法国EPB公司生产的LIBRAFLEX系列刀柄带有一对装有配重的动平衡环,可在一定程度上补偿夹头装夹刀具后产生的不平衡量。该系列产品包括装刀部分为D型和ER型夹簧的弹簧夹头以及削平柄卡头,出厂时其不平衡量可调整到5gmm;无平衡环的装D型夹簧的高精度弹簧夹头出厂时的不平衡量可控制在3gmm。此外,EPB公司生产的GRAFLEX单刃微调镗刀头(见图6 )可不用平衡机而自动实现平衡,其不平衡量控制在10~20gmm。

图6 EPB公司的GRAFLEX单刃微调镗刀头Libraflex®

4 适用于高速切削的刀具材料

目前国外已广泛使用高性能钴高速钢、粉末冶金高速钢、整体细颗粒硬质合金、氮化硅陶瓷等新材料来制造立铣刀、钻头、丝锥、滚刀、剃齿刀、插齿刀等整体式高速切削刀具。我国近年也开发出碳化钨晶粒度分别为超细、极细、细、中颗粒四个等级的硬质合金棒材牌号。其中牌号为YF06和YU08的超细硬质合金较好实现了硬度与强度的完美结合,为开发整体硬质合金孔加工刀具创造了条件。目前已可生产Ø1~35mm的实心棒材和Ø5~35mm的带单孔、双孔和双螺旋孔的棒材。为适应高速切削加工的需要,机夹可转位刀具也大量采用各种新材料,主要包括:
    金属陶瓷 TiC基、TiN基和TiCN基三类金属陶瓷刀具可在300~500m/min切削速度范围内高速精车钢和铸铁。国内研制的TiCN基金属陶瓷刀片FD22适用于精加工淬硬钢,其耐磨性和允许切削速度均大大提高。陶瓷 陶瓷刀具主要包括氧化铝基和氮化硅基两大类,可在200~1,000m/min的切削速度范围内高速切削软钢、淬硬钢、铸铁及其合金等。陶瓷刀具的切削寿命可比普通硬质合金刀具提高2~10倍。氮化硅基陶瓷刀具耐热性极佳,其切削速度可比硬质合金刀具提高3~10倍,在加工灰铸铁时具有明显优势。复合氮化硅陶瓷刀片FD03的强度虽稍有降低,但耐磨性却显著增强,因此非常适合用于高速切削;据有关资料报导,陶瓷刀具在日本、德国等工业发达国家的汽车工业中应用十分广泛,已达刀具总消耗量的10%~15%以上,某些工厂甚至高达40%以上。据专家评估,我国陶瓷刀具的研发水平已达到国际先进水平,但应用水平相对滞后,与国外的差趾主要表现在制造工艺水平较低,高精度陶瓷刀片和某些品种陶瓷的质量较差。立方氮化硼(CBN) 立方氮化硼具有极高的硬度和红硬性,是高速精加工、半精加工淬硬钢、冷硬铸铁和高温合金的理想刀具材料。聚晶金刚石(PCD) 聚晶金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性、高导热性、低摩擦系数等优良特性,适用于高速、高精度加工有色金属及耐磨非金属材料(如铣削硅铝合金),切削速度范围可达300~3,500m/min。

5 适用于高速切削的刀具涂层

适用于高速切削刀具的涂层材料主要有:
    TiN涂层 TiN涂层是目前应用最为广泛且工艺最为成熟的刀具涂层材料。在工业发达国家,TiN涂层在高速钢刀具上的使用率己达全部高速钢刀具的50%~70%,在复杂刀具上的使用率则已超过90%。但由于TiN涂层耐氧化性能较差,当使用温度超过500℃ 时,涂层表面将明显氧化而被烧损,加上TiN涂层硬度较低,已难以适应切削高速化对刀具涂层提出的更高要求。为此,国外投入了大量人力物力研究开发新型涂层材料和涂覆工艺,许多性能更为优良的新型涂层已投人生产应用。 TiCN涂层 TiCN涂层刀具的切削性能较TiN涂层刀具有很大提高。由于TiCN涂层具有更好的化学稳定性和抗氧化磨损性,因此在加工高合金钢、不锈钢、铁合金和镍合金时,刀具寿命可比TiN涂层刀具提高3~4倍。为提高刀片的耐磨性和抗崩刃性,日本住友公司在焊有CBN刀尖的可转位车刀片上涂覆了TiCN TiN 陶瓷复合涂层,使这种刀片可切削60HRC以上的高硬度材料,且切削平稳,可获得光滑的加工表面。TiAlN涂层 新开发的TiAlN涂层热稳定性优异,在相同切削温度下可保持比TiN涂层更高的硬度值,其维氏硬度高达3500HV,最高工作温度可达800℃ 。在切削加工时,涂层表面会生成一层极薄的硬质惰性保护膜——非晶态Al2O3。因此,TiAIN 涂层刀具对高速切削加工(尤其是高速车削、干式铣削、小直径孔的深孔钻削等高速干式切削)具有更好的适应性。掺氧的氮碳化钦TiCNO涂层 TiCNO涂层具有很高的显微硬度和化学稳定性,据资料介绍,这种涂层可起到相当于TiC Al2O3复合涂层的作用。金刚石涂层 在工业发达国家,金刚石涂层技术工艺已日趋成熟,各种金刚石涂层的硬质合金刀具大量涌现,并进入实用化阶段。如日本OSG公司开发的超微细金刚石涂层的硬质合金立铣刀,在加工高硅铝合金时具有优异的切削性能、抗粘附性以及较高的加工精度、刀具寿命和涂层韧性,加工表面粗糙度可达Ry0.66µm,明显优于粗颗粒金刚石涂层的高速钢立铣刀的加工表面质量(Ry4~10µm) ,甚至优于未徐层硬质合金立铣刀的加工表面质量(Ry0.78µm)。

6 高速切削刀具的动平衡

刀具系统(刀柄—刀具—刀头)的不平衡量U可用动平衡机测得,它等于系统的不平衡质量m与其偏心距e的乘积,即
U=me (1)
动平衡精度等级G为不平衡量U的重心偏距e与最高使用角速度w的乘积,即
G=ew=U/m×pn/30=pUn/30m (2)
由不平衡量引起的离心力F与不平衡量和转速的平方成正比,即
F=me(pn/30)2×10-6 (3)


图7 刀具动平衡精度等级列线图

因此,为了达到最佳加工效益,高速切削刀具在使用前必须根据其使用速度范围进行动平衡。高速切削旋转刀具系统的动平衡精度等级应视具体加工情况选定,一般可选择在G1~G6.3之间。图6所示为刀具动平衡精度等级列线图。在欧洲(德国、瑞士、意大利、法国等)和日本.高速数控加工中心和电主轴产品的主轴孔几乎都已采用HSK短锥结构,且所用的HSK夹头通常采用钻、铣去重的方式减少不平衡量,以达到动平衡的要求。另外,Iscar, epb等公司开发了一种用一对可调平衡环来调整不平衡量的刀柄。美国Kennametal公司推出了一种整体自动平衡系统(Total Automatic Balancing System) ,它能使主轴—刀柄—刀具—刀头系统在2秒钟内自动实现动平衡。瑞士著名的电主轴生产厂家Fiocher公司还推出了在电主轴部件上装有在线自动动平衡装置的产品。

7 高速切削刀具的安全性要求

高速切削使用的回转刀具主要包括面铣刀、立铣刀、模具铣刀、锉刀等。机床主轴高速旋转时,刀具要承受很大的离心力。由式(3)可知,离心力的大小与转速成平方关系,同时与不平衡量U的大小有关。当转速高达10,000~20,000r/min时,作用于刀具上的离心力可能会远远超过切削力的作用,成为刀具损坏的主要原因,如可能使面铣刀爆裂、模具铣刀等细长刀具发生弯曲等。所以,对于高速切削刀具的材料、结构、装夹、动平衡等方面提出了许多特殊要求,如德国1994年起草的国家标准DIN6589-1和2001年9月颁布的国际标准ISO15641 《高速旋转铣刀的安全性要求》 中就规定了设计、制造、使用高速铣刀时应注意的事项及安全性检验方法。随着我国数控机床尤其是高速加工机床(如铣床主轴最高转速已达35,000r /min)的应用日益增多,一些国内工具制造厂已开始生产高速铣刀。在高速铣刀的设计、制造、使用过程中应充分重视和借鉴国外在刀具安全性方面的先进经验。

8 问题与对策

高速切削是现代制造技术的重要发展方向之一,为适应高速切削的需要,对高速切削工具提出了“三高一专”(高精度、高效率、高可靠性、专用化)的要求。目前我国使用的新型高速切削工具80%依靠进口,每年约需花费1亿美元,且以约33%的幅度逐年递增。我国工具行业虽在努力研发该类刀具,但与国外发展水平相比存在明显差距,应采取有效措施迎头赶上。在高速工具柄方面,虽然国内已有一些厂家能制造HSK柄,但在产品质量上仍存在不少问题。有些生产厂因设备条件所限,对高速切削工具产品没有经过动平衡。一些厂家的产品仍处于试制阶段,没有形成规范的工艺路线,检验工具、检验规程很不完备,难以充分保证产品质量。此外,许多用户出于加工安全性的考虑,更倾向于选用进口产品,使国产工具在市场竞争中处于劣势。为了解决国产高速切削工具产品的质量问题,需要在加工、检测等环节加大投入,购置关键设备(如数控车床、数控磨床、加工中心、动平衡机等),配备必要的检测装置,提高产品研发人员的技术水平。此外,应完善产品质量跟踪制度,建立产品质量档案,重视售后服务。只有把产品质量搞上去,才有可能在激烈的市场竞争中占有一席之地。在高速切削刀具方面,笔者认为,我国工具生产企业不应局限于国产材料市场,对于需要的刀具材料,如国内没有或国产质量较差的,应面向世界材料市场,优先选用高质量的进口材料。国内硬质合金材料的配料、烧结工序与后续的刀具制造工序分属两个行业.二者缺乏有机结合及合理衔接,这是造成国内整体细颗粒硬质合金立铣刀、钻头、丝锥、滚刀、剃齿刀、插齿刀等复杂结构刀具发展较慢的重要原因之一。硬质合金材料生产企业对于研发新材料,提高材料内在质量具有技术优势,而在刀具设计方面力量相对薄弱;工具制造企业在针对用户需要设计、制造刀具方面是强项,而对刀具材料开发及提高材料质量方面相对薄弱。因此,根据各自的技术优势及特长,对生产资源进行合理重组,建立若干各具特色的工具公司,使它们的高档工具产品在市场上互为补充,联手开拓市场,这或许是提高我国工具技术总体发展水平的一条有效途径。我国工具行业一位老领导在《浅论中国工具行业新世纪面临的机遇、挑战和发展对策》 一文中曾指出:若不经过全面技术升级,走“高起点、大投入、规模化”之路,我国工具行业就很难缩短与国外先进水平的差距。因此,尽管随着我国制造业的快速发展,新型工具产品的市场前景广阔(仅轿车生产一项,预计到2010年潜在的工具产品需求将达几十亿元人民币),但是由于近年来工具市场的需求结构已发生了重大变化,因此我国工具企业必须及时调整生产机制和产品结构,开发制造在性能、品种、价格等方面具有优势的工具产品,走“高起点、大投人、规模化”的发展道路,这样才能迅速改变目前的落后状态,振兴中国工具行业。以上由东莞市冉宏五金机械有限公司(www.ranhongtools.com)友情奉献。

 

上一篇:不锈钢加工状况分析
下一篇:高端模具“加工之王”-黛杰刀具
 
首页 | 关于我们 | 支持中心 | 公司优势 | 黛杰刀片 | 西门德克铣刀 | 数控刀柄 | KMG车刀 | KMG钨钢铣刀 | 新闻中心 | 样本下载 | 联系我们 |

Copyright @ 2009 华南区知名数控刀具批发商-东莞市冉宏五金机械有限公司 版权所有 公司电话:0769-82289738
网站主页:www.ranhongtools.com   公司地址:广东省东莞市长安镇商贸城G1栋16号   公司邮箱:hu@ranhongtools.com