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高速加工工具係統的研究及進展

作者:亚美真人来源:[亚美真人公司]访问:266时间:2019-12-09

1 引言

  高速加工是集材料科學、工程力學、機械動力學和製造科學於一體的高新加工技術,在汽車製造、航空航天和機械加工多個行業得到了愈來愈廣泛的利用。高速加工工具係統是高速加工機床的首要構成部分,其性能直接影響到加工質量和加工效率。是以,高速加工工具係統的研究與開發倍受國內外機械工程專家和學者的關注。

  半個多世紀以來,傳統的BT(7:24錐度)工具係統在機械加工中發揮了首要感化。但是,在高速加工中,主軸工作轉速達到每分鍾數萬轉 ,在離心力感化下,主軸孔的膨脹量比實心的刀柄大 ,使錐柄與主軸的接觸麵積減少,導致BT工具係統的徑向剛度、定位精度下降;在夾緊機構拉力的感化下,BT刀柄的軸向位置發生變化,軸向精度下降,從而影響加工精度;機床停車時,刀柄內陷於主軸孔內將很難拆卸。另外,由於BT工具係統僅使用錐麵定位、夾緊 ,還存在換刀反複精度低、連接剛度低、傳遞扭矩能力差、尺寸大、重量大、換刀時間長等缺點。為解決上述題目,美國 、德國、日本等產業發達國家相繼開發出若幹新型工具係統,以滿足現代機械加工生產的要求。

2 國外新型工具係統的開發

2.1 HSK工具係統

  HSK刀柄是德國阿亨產業大學機床研究所研究開發的一種新型的高速短錐刀柄,其結構特點是空心 、薄壁、短錐,錐度為1:10;端麵與錐麵同時定位、夾緊 ,刀柄在主軸中的定位為過定位;使用由內向外的外漲式夾緊機構。

  HSK工具係統最突出的特點就是端麵和錐麵同步接觸 。夾緊時 ,由於錐部有過盈,所以錐麵受壓產生彈性變形,同時刀柄向主軸錐孔軸向位移,以消除初始間隙,實現端麵之間的貼合,如許就實現了雙麵同步夾緊。就其本身的定位而言,這類保證錐麵和端麵同時定位的方式實質上是過定位。HSK接口的徑向精度是由錐麵接觸特性決定的 ,這一點與BT錐柄一致(二者的徑向精度均可達到0.2μm) 。HSK接口的軸向精度由接觸端麵決定,這與BT錐柄明顯不同 ,中空結構是HSK刀柄的一個首要特征 。要實現雙麵接觸 ,錐麵必須產生彈性變形,與實心柄相比,空心柄產生彈性變形輕易得多,所消耗的夾緊力也小得多,而當主軸高速回轉時,空心薄壁的徑向膨脹量與主軸內錐孔相差不大,有益於在較大轉速範圍內保持錐麵的可靠接觸 。HSK刀柄的空心柄部還為夾緊機構提供了安裝空間,以實現由內向外的夾緊。這類夾緊方式可以把離心力轉化為夾緊力,使刀柄在高轉速下工作時夾緊更為可靠。此外,HSK刀柄的空心柄部還使內部切削液的供給成為可能。

  HSK工具係統以其定位精度高,靜、動態剛度高 ,尺寸小、重量輕、結構緊湊,適合高速切削等優點,已成為高速加工中最有發展潛力的高級係統。國際標準化組織終究確定以HSK為新型工具係統的國際標準,並於2001年頒布了該項ISO標準(ISO12164)。

2.2 KM工具係統

  KM工具係統是美國Kennametal公司及德國Widia公司聯合研製的,其基本外形與HSK很類似,也是采用了1:10的空心短錐配合和雙麵定位方式。首要的差別在於夾緊機構不同,KM刀柄是使用鋼球斜麵鎖緊,夾緊時鋼球沿拉杆凹槽的斜麵被推出,卡在刀柄上的鎖緊孔斜麵上,將刀柄向主軸孔拉緊,刀柄產生彈性變形使刀柄端麵與主軸端麵貼緊。

KM工具係統具有高剛度、高精度、快速裝夾和維護簡單等優點。試驗證實KM刀柄的動剛度比HSK係統更高,不過由於KM刀柄錐麵上開有對稱的兩個供夾緊用的圓弧凹槽,需要非常大的夾緊力才能正常工作。

2.3 NC5工具係統

  NC5工具係統是日本股份有限公司日研工作所開發的,采用1:10錐度雙麵定位結構。錐柄采用實心結構,使其抗高頻顫振能力優於空心短錐結構。其定位道理與HSK、KM相同,不同的是把1:10錐柄分成了錐套和錐柄兩部分,錐套端麵有碟型彈簧,具有緩衝抑振感化。通過錐套的微量位移,可以有效吸收錐部基準圓的微量軸向位置誤差,以便緩和刀柄的製造難度。彈簧的預壓感化還能衰減切削時的微量振動,有益於進步刀具的耐用度。當高速旋轉的離心力導致錐孔擴張時 ,彈簧會使軸套產生軸向位移,補償徑向間隙,確保徑向精度,由於刀柄本體並未產生軸向移動,是以又能保證工具係統的軸向精度。

2.4 Big-plus工具係統

  Big-plus工具係統是日本大昭和精機公司開發的改進型7:24錐柄工具係統。該係統與現有的7:24錐柄完全兼容,它將主軸端麵與刀具法蘭間的間隙量分配給主軸和刀柄各一半,分別加長主軸和加厚刀柄法蘭的尺寸,實現主軸端麵與刀具法蘭的同時接觸。裝進刀柄時伴隨主軸孔的擴張使刀具軸向移動達到端麵接觸。

  與BT錐柄相比,Big-plus錐柄對彎矩的承載能力因有一個加大的撐持直徑而進步,從而增加了裝夾穩定性。Big-plus工具係統的夾持剛性高,是以在高速加工中可減少刀柄的跳動,進步反複換刀精度。

3 國內新型工具係統的研究

  我國在新型工具係統的研究方麵起步較晚,對工具係統進行實質性分析研究的成果較少。其中成都工具研究所的梁彥學高工、張鐵銘高工、趙柄禎高工在引進HSK工具係統標準、探索製造工藝及動平衡方麵作了很多工作。成都工具研究所“九五”期間承擔了國家重點科技攻關專題“數控機床工具係統工程化技術的開發研究”,首要成果是引進了HSK刀柄的製造標準 ,開發了相應的加工工藝,並據此製造出了HSK刀柄及部分檢測設備,填補了國內空缺。

  在此基礎上,成都工具研究所和江蘇大學等單位共同承擔的國家“十五”科技攻關課題“高速加工工具係統的開發與利用”,利用有限元法對高速狀況下HSK工具係統的特性進行了仿真分析、建立了力學模型和專家常識庫,為把握其結構動態 、靜態特性、工作機理提供了科學理淪指導和根據;建立了HSK工具係統柄的標準圖庫及HSK工具係統產品圖庫,擬定了HSK工具係統的製造技術規範;完成了HSK工具係統標準技術的研究工作,擬定了HSK工具係統國家標準,為我國HSK工具係統的產業化、推廣利用並進人國際市場打下了良好的基礎 。 江蘇大學對HSK刀柄的結構進行優化,提出磨損後的HSK刀柄的重磨方法,減小了刀柄加工誤差的不利影響,使刀柄的性能更可靠,實現了磨損後的HSK刀柄再利用,降低了生產本錢,解決了HSK刀柄磨損後不能再利用的困難。華南理工大學的劉旺玉利用有限元方法對HSK薄壁液壓夾頭夾緊扭矩進行了分析。山東大學的張鬆等借用非線性有限元技術對HSK主軸/刀具聯接的變形及接觸應力分布進行了分析,討論了旋轉速度和過盈量對接觸應力的影響。

4 工具係統研究中存在的題目及其對策

4.1 開發工具係統製造與檢測一體化技術,進步刀柄的加工質量

  高速加工的工具係統大都采用過定位的雙麵夾緊方式,是以對加工精度要求很高,否則將嚴重影響其使用性能。目前即使國外的著名工具生產廠家在生產HSK刀柄時,也很難做到所有的加工精度指標都滿足HSK的ISO12164標準。是以,探索先進的加工方法和加工工藝,開發關鍵工序的檢測儀器 ,進步和穩定工具係統的加工質量是高速加工工具係統研究中要解決的共同題目。

4.2 進步工具係統和機床連接的動平衡精度,減少高速下的切削振動

在高速加工中,工具係統微小的不平衡都可能造成巨大的離心力,引發機床和加工過程的振動 ,這不僅影響零件的加工精度和表麵質量,而且輕易損壞刀具 ,降低主軸軸承的精度和壽命,是以,需要尋求新的動平衡標準及丈量方法,開發高精度的動平衡技術。

4.3 開發智能型工具係統,實現使用過程的智能化控製

  加強在線主動動平衡裝配的開發,使工具係統具有在線主動動平衡功能。研製具有在線故障預告功能的工具係統,使其在安裝或使用中出現故障時可以主動報警,使高速加工更安全。

4.4 進步刀具和主軸錐孔的配合精度,進步聯接可靠性

  工具係統與主軸之間采用錐麵和端麵同時定位夾緊的方式,由於錐麵存在著過盈,在高速情況下,錐麵的應力變形會更加嚴重,從而使工具係統的可靠性下降,是以需要加強對錐麵配合方式和配合精度的研究 ,以加強工具係統的可靠性 。

5 結語

  目前,高速切削加工已成為現代製造的首要發展方向之一,但對高速加工工具係統的基礎性研究還不夠充分,對影響工具係統的關鍵身分的研究還有待深人。縱觀各產業發達國家對新型工具係統的研究和開發情況可以看出,高速加工工具係統的發展趨勢是 :優先采用具有端麵和錐麵雙麵定位的過定位方式,進一步進步刀柄的製造精度,開發多功能和智能刀柄。除此以外,盡快實現高速加工工具係統的標準化、係列化也是一個不容忽視的題目。

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