直联式主轴采用BIG

I数控刀具网你的位置：数控刀具网>>刀具技术>>行业标准>>详细内容在线投稿高速加工的刀具技术及BIG-PLUS刀柄特点介绍打印发给朋友举报来源：金万众官网发布者：网络转载时间：2008年3月06日绪言众所周知，高精度化、高效率化、低成本、快速交货等问题是机械加工行业的永久的课题。特别是近些年，市场结构、市场需要日新月异，更对机械加工提出了更高的要求。再加上加工机械、刀具、刃具以及CAD/CAM技术的不断进步，整个世界机械加工行业迅速地向高速化发展。高速加工的优越性高速加工之所以令人注目，是因为它具有如下的优越性（图1）。以模具加工为例，过去一般的是分为图1高速加工的优越性粗加工一中精加工一精加工一电火化加工一磨光加工等多个加工工程，而采用高速后，可以将这些加工集中为一个工程，而且由于加工精度的提高，磨光工程也可也省去。这样不但减少了加工时间及工程间的准备时间，也减少了机器设备及工具设备的数量，提高了整体效率。当然，要实现高速加工，除主轴高速化以外还存在着有关刀具系统、刃具系统等各种各样的课题。下面就高速加工对刀具系统的要求以及当今的刀具系统技术作一简单分析。高速加工对刀具系统的要求刀具介在于机器与刃具之间，刀具的性能不但直接影响加工精度和加工效率，同时也影响机器与刃具的寿命。特别是高速加工，要求刀具系统具备以下特点：①高刚性 ②高定位精度③平衡性 ④耐破损性⑤高把持精度 ⑥强把持力

⑦柔软性针对这些要求，刀具厂家作多种努力，而两面拘束刀具系统是近些年来最令人注目的。两面拘束刀具系统2两面拘束系统BIG+PLUS所谓两面拘束，简单地说即是刀柄与主轴的锥面及端面同时密接。下面以最近较流行的、也是比较实用的两面拘束刀具系统【BIG+PLUS】为例分析两面拘束刀具对于高速加工的适应性。4-1径向刚性图2(a)是一般的BT系统，图2(b)是两面拘束刀具【BIG+PLUS】系统。显而易见，和BT系统相比【BIG+PLUS】系统具有更大的保持力矩，从而获得更强的刚性(图3)液建(kgf)医13两面拘柬系统的刖性图3两面拘束系统的刚性4-2跳动精度和重复精度的提高跳动精度是影响加工的一个重要因素。例如用立铣刀进行精加工时，因进刀量较小，如果跳动精度不好，每个刃的切削量就不一样。这不但使切削量大的刃加快磨损，而且直接影响到加工面。甚至因切削量小的刃从工件表面擦过而使刀、刃具发生颤振。 要解决这个问题，当然需要提高主轴、刀柄、刃具的跳动精度，刀具交换时的装入主轴的误差也不容忽视。 和普通BT刀柄相比，两面拘束刀柄【BIG+PLUS】不但有锥面的求心性，而且由于刀柄与主轴端面密接，可保持其径向的水平定位。当然这要求刀柄及主轴端面的水平度和平坦度非常高。图4是普通BT刀柄和两面拘束刀柄【BIG+PLUS】在ATC时的重复精度比较。

ATC的重复精度1GJMgfsE(£3制S戚si敦I臼ATC的重复精度1GJMgfsE(£3制S戚si敦a®--1i：iOi：i(r.p.m.r1图5高速转动时主轴的内径膨胀图5高速转动时主轴的内径膨胀另外，主轴高速转动时因为离心力的作用，其锥孔内径增大(图5),在拉力P的作用下刀柄将发生轴向变位而影响加工精度。甚至会妨碍ATC的正常工作。而【BIG+PLUS】刀具由于与主轴端面密接，所以轴向尺寸几乎不变。4-3.刀具的平衡精度任何旋转体在转动过程中都要受到离心力的作用：F=m:旋转体的质量(kg) 3:角速度以重心与轴心间的距离(m)如果旋转体完全处于动平衡状态，也即重心与轴心一致，即可看着离心力F=0。如果旋转体处于非动平衡状态，比如一刀具质量为2kg、偏重心距离为10pm，在20000转时受的离心力为：药7(用!!因此离心力的作用而使刀具发生弯曲：

&— 挠度配L:力臂长E:弹性模量I:断面挠矩在此状态下进行加工，直接影响工具寿命、加工精度以及加工效率。刀具的平衡精度一般用G等级来表示。越是高速、高精度加工对G的要求也越高。°冲Mn：转速（rpm） r:半径（mm）山:非平衡质量（g）M:刀具的质量（g）由此可见，高速转动时（N增大）要维持或提高G等级，就是要尽量地减小非平衡质量m，对于刀柄来说在存库前的平衡修正就相当重要。图6刀柄的平衡修正图7两面拘束刀柄MEGA系列（日本大昭和精机图7介绍的是日本大昭和精机制造的高速加工用两面拘束刀柄MEGA系列产品。它包括微型夹头MEGA-S系列，钻头、小径立铣刀用弹簧夹头MEGA-N系列，强力、倍力型立铣刀夹头MEGA-D系列。它的特点是所有的刀柄在热处理后都进行精密平衡修正，将非平衡质量限制在最小。此系列产品的最高转速可达40000转。图9单向离合器板手（日本大昭和精机生产）另外，为防止螺母因构造不均匀而发生破损以及减少高速转动时的噪音和阻力，所有MEGA系列的螺母都没有扳手槽。因而专门设计了MEGA系列产品用的MEGA扳手（图8）。此扳手采用单方向离合器原理，只要调换扳手的上下方向就可以进行锁紧或松开的操作。4-4.刀具的把持精度即使刀柄具有很高的平衡精度，但如果把持精度不好，在夹持刃具后整体的平衡精度也会被破坏。特别是现代高速加工，使用的刃具多以硬质合金材料为主流。硬质合金刃具的硬度高、耐磨损性好、但相对来说韧性较差，如无高精度（平衡精度、跳动精度）的刀柄作保证，在高速加工时不但会影响加工精度，同时使刃具寿命缩短、甚至折损、损坏工件、影响到整体的生产效率。

图9刀具的把持精度的影响就弹簧夹头而言，由于制造技术以及价格等原因，一般使用较多是跳动精度为10〜15pm（4D先端）。但近些年来，随着加工技术及工艺水平的提高，一些高精度、高性赖性的弹簧夹头出现在市场，为高速、高精度加工提供了保证。图10高精度弹簧夹头套筒 （日本大昭和精机生产）头套筒，可保证夹头口部川m以内、4D先端3pm以内的跳动精度。结语无任从那个角度来看，高速、高精度、高效率加工时使用两面拘束型刀具几乎可以作为定认。但现有的两面拘束型刀具系统除大昭和精机的【BIG+PLUS】以外，还有HSK、KM等多种规格。这些规格的刀柄和普通（BT）刀柄相比有高精度、高刚性等共同之处，也有各自的不同特点。比如HSK刀柄因是1/10中空短锥柄，所以重量轻、换刀时间短。但也正因为它是中空柄，所以锥柄部分强度较弱。再有刀柄上的V型定位槽使得刀柄本身处于不平衡状态，高速转动时容易发生振动。和其它两面拘束系统相比【BIG+PLUS】的最大的特点是和普通BT系统具有互换性。也就是说，【BIG+PLUS】刀柄在BT主轴上也可以使用，BT刀柄在【BIG+PLUS】主轴上也可以使用。甚至装刀台、对刀仪等周边机器也可以共用。这大大地减少了投资金额，对用户很有吸引力。机床-刀具7:24锥柄连接新技术切削加工的精度和效率不断提高，现有的7:24锥柄作为机床主轴与刀具连接的方式已经不能满足新的加工要求，其主要问题是连接刚性不够，以及在高的转速下，由于主轴锥孔的扩张，降低了重复定位精度和换刀精度。HSK空心柄实现了机床主轴与刀具在锥面接触的同时还增加了在端面的接触，避免了刀具在高速下的轴向串动，并保证了重复定位精度尽管HSK比7:24锥柄有这些优点，但带有7:24锥孔的新机床仍然在生产销售，其原因何在？ 图1Big-plus系统与标准7：24连接比较锥柄和端面同时接触的7:24

锥柄在采购新机床时，用户考虑的不仅是效率而首先是价格和应用之间的关系。在采用一种新的刀柄时，所有的刀具甚至备份都必须配上新的HSK或7:24锥柄，这需要一笔大的费用。此外，从技术上分析，HSK刀柄还有形状和尺寸过多的弊端，反映出该刀柄是对多方面意见妥协的结果；尤其不足的是实际的锥柄尺寸比标准依据法兰直径所定的名义尺寸小，降低了刀柄的强度，这会增加刀具振动的可能性，尤其是长的刀具；HSK刀柄不适用于作为工具系统的接柄，如用于铣刀的夹头时明显地增加了刀具系统的长度，削弱了系统的刚性。针对HSK刀柄的不足，日本BLG-DaishowaSeiki公司成功地开发了一种称为Bigplus的机床主轴与刀具的接口，实现了刀具装夹的最佳化。该系统仍采用7:24锥柄，因此可与现有的7:24刀柄完全兼容，不会增加额外的刀具成本。由于它同样实现了机床主轴与刀柄之间的锥面和端面的同时接触，从而满足了机床-刀具接口对稳定性和精度的要求。现有的7:24连接在主轴端面与刀具法兰之间存在一个间隙，只有锥面接触。而Big-plus系统则把这个间隙量分配给主轴和刀柄各一半，分别加长主轴和刀柄法兰的尺寸（图1），开发了配套的Big-plus加长主轴和加厚了法兰的Big-plus刀柄。Big-plus刀柄数倍地提高了连接的刚性由于这种刀柄的锥柄部分仍是一个标准的7:24锥柄，与标准刀具完全兼容，即Big-plus刀柄可以装在现有的机床主轴上使用（图2上的B连接），同样，现有的7:24锥柄刀具可以装在Bigplus的主轴上使用（图2上的C连接）。要实现主轴端面与刀具法兰的同时接触，则必须同时采用Big-plus的主轴和刀柄（图2上的A连接）。新系统的主要特征是，当刀具拉入机床主轴时引起主轴锥孔的弹性扩张。装刀时，刀具送入主轴以后在主轴端面与刀柄法兰之间留有约0.02mm的间隙，当刀柄被完全拉入时，主轴端口弹性扩张，实现锥面与端面的同时接触（图3）。为了确保锥面与端面的同时接触，Big-plus系统的主轴和刀柄必须精确制作，以保证在刀柄拉入时伴随主轴的扩张实现刀具的轴向移动并使端面接触所需要的尺寸精度。为此需要有三个量规来控制主轴锥孔的制造尺寸（图4）：一个是校对环规，规定了主轴锥面定位时端面的尺寸增量H；另一个是带表塞规，它把校对环规的H尺寸传递给主轴；第三个是带表的辅助锥规，它用作测量刀柄拉入时由于主轴扩张所对应的刀柄轴向位移量。

图5短锥柄的缺点拉紧刀柄时，主轴的扩张量与主轴的设计和拉紧力有关。主轴锥面定位时，其端面位置尺寸允差越窄，则主轴扩张量越小。与标准的7:24锥柄比较，Big-plus锥柄对弯矩的承载能力因一个明显加大的支撑直径而提高，从而显著地提高了装夹稳定性。在标准的7:24锥柄上弯矩的支撑直径是锥柄上的公称直径，而Big-plus刀柄的支撑直径是法兰的外径，根据圆载面的惯性矩公式，刀杆的挠度与直径的4次方成反比，由此得出，Big-plus比标准7:24刀柄承受弯矩的能力，对于SK40号刀柄提高了3.5倍，对于SK50号刀柄则提高了3.9图5短锥柄的缺点Big-plus刀柄装夹的稳定性可以与HSK刀相媲美。但HSK的锥柄比7:24锥柄短，因此换刀行程短、速度快，这是有利的一面；然而短锥柄也有不利的一面，尤其是HSKA型刀柄，其传动键与主轴锥孔是一个整体，由于制造技术上的原因，处于键这一段的锥面很难精确制造，使刀柄的有效锥面要短于名义的锥面。在使用长刀具或径向力大的刀具时，短锥柄就成为一个缺点。根据杠杆定律，产生在刀具参考直径处的切削力F1作用在刀柄的法兰处（图5），那里起一个回转中心的作用，力再从该点传递到锥柄的最后端支承点上，产生F2力。锥柄越短则在那里产生的F2力越大，其轴向分力Fp也越大，这是一个向外推刀柄的力，一个人的推力对刀柄装夹的稳定性会产生不利的影响。新系统在实践中得到认可Big-plus系统的技术特点推动了Big-plus机床主轴和刀具系统的推广应用，例如所有日本著名的机床制造商都拥有Big-plus的许可证，它们中已有许多公司把这种主轴作为它们机床的标准配置。在欧洲，这个系统同样得到了认可，那里的一些著名的机床制造商也希望获得许可证，将有越来越多的机床装备这种主轴。在刀具制造商方面，一家最大的瑞典刀具制造商已经认可了这个系统的优点，表示该公司的刀具也用Big-plus的设计。一家较大的德国刀具制造商已购买了许可证。瑞士的Heinz