高速/高精度工具系统的技术动向
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Capto模块式刀柄

为了满足对高速/高精度金属切削加工的迫切要求,在金切机床实现高速/高精度化的同时,工具行业为实现切削工具系统的高速/高精度化也加强了研究开发" 其中,瑞典山特维克可乐满公司成功开发了既适用于旋转刀具,也适用于非旋转刀具的通用型高速/高精度模块式刀柄——CoromantCapto。目前该刀柄已广泛应用于高速/高精度切削加工,深受用户的欢迎和好评,成为畅销产品,销售量逐年增加。
Capto刀柄是一种新型的两面定位夹紧模块式刀柄,具有以下特征和优点:
  1. 装卸重复精度高
    Capto刀柄从小到大共有C3、C4、C5、C6 和C8 五个规格。图1为C4(外径Ø40mm)规格切削单元的装卸重复精度数据,其X、Y、Z三个方向的重复精度达到约±1µm。

    图1 Capto刀柄的装卸重复精度

    图2 CaptoC4在主轴转速40000r/min时的有限元分析

    图3 Capto刀柄的高速适应性

    图4 气簧式组件
  2. 高速刚性优良
    Capto刀柄的连接机构特征是采用端面与多边形锥面定位夹紧。图2所示对Capto C4刀柄在40000r/min转速下的有限元分析数据表明,即使在如此高的转速条件下,端面和锥面的接触面积仍然较好,而两面定位夹紧刀柄BT30的工作转速达到40000r/min时,锥体部分的接触面积已变为零,连接刚性明显降低。因此,两面定位夹紧刀柄BT30、BT40和BT50的高速适应性分别为30000~35000r/min、25000r/min和15000r/min。由于采用了图3所示多边形锥体结构,作用于顶点和边缘的离心力大小和方向不同,能够确保在高速加工条件下保持接触面积,从而获得优良的高刚性。
夹紧单元是将刀柄装夹在机床主轴上不可缺少的组成部分,它通常由弹簧夹头和与其连动的拉杆以及拉紧拉杆的弹簧组成。弹簧通常使用重叠式碟簧,但由于存在不平衡问题而无法用于高速切削。山特维克可乐满公司成功开发了图4所示的气簧(gas spring)式新型夹紧机构。试验结果证明,在高速加工条件下,气簧的寿命长而稳定,容易实现标准化,且安装到主轴上也很方便,其连续使用温度约为90℃。近年来高速/高精度机床的主轴结构采用内装电机式主轴,需要解决的一个主要问题就是此类夹紧机构的耐热性。

刀具与刀柄的一体化

旋转刀具高速/高精度化的理想形式是“主轴=刀具”,基于这一理念,在Capto刀柄的设计中努力寻求刀具与刀柄的一体化。图5是Capto刀柄与刀具一体化的典型实例——加工铝材用的CoroMill面铣刀。该一体化Capto面铣刀的特点是:C6规(Ø80)的转速能达到20000r/min,C5规格(Ø63)的转速能达到28000r/min;可转位刀片的背面设计成锯齿形,即使在高速加工条件下也能保持稳定:由于实现了刀具与刀柄一体化,提高了刚性和精度,从而可以大幅度提高切削性能(尤其对于提高刚性和精度难度很大的T-MaxU钻头那样的产品)。刀具与刀柄的一体化对于可转位刀片寿命、切屑形状、加工表面粗糙度及切削噪声等都可起到极大的改善作用。

图5 刀具与刀柄一体化的CoroMill面铣刀

图6 391-37型镗刀柄

图7 Wiper可转位刀片

图8 Wiper刀尖放大图

图9 自动同步攻丝用丝锥与普通丝锥的寿命对比

高速切削用刀柄

对于旋转刀具的刀柄,一部分刀柄(如精镗用小直径镗刀柄)应采用适应高速旋转的刀柄设计。图6是此类刀柄的一个典型实例。它经过动平衡后能在70000r/min的高速条件下使用,还有能在20000r/min高速条件下使用的一体化面铣刀。平衡配重根据镗削直径是可调的。

高速进给切削用可转位刀片

所谓“高速”不只局限于切削速度,切削进给的高速化也应是高速切削的参数之一。早在25年前,瑞典山特维克可乐满公司就将切削进给的高速化纳入了研究课题。图7和图8是高速进给精切用的精密可转位刀片——Wiper可转位刀片,其精加工进给速度是原有刀片的2倍以上。无论在车削还是铣削、钻削等切削加工中,使用Wiper可转位刀片都能提高生产效率。

其它

瑞典山特维克公司成功开发了适应高速自动同步攻丝用的高速钢丝锥,在高速条件下对S45C钢攻制螺纹时,刀具寿命可提高1倍以上(寿命对比数据见图9)。
根据大学对德国产业界的调查,L/D(孔深/孔径)在20以上的超深孔加工占全部钻孔加工量的8.3%,普遍存在加工时间长、加工效率低的问题。
山特维克公司开发了带内冷却孔、加工超深孔(L/D=30)用的硬质合金油孔钻头(见图10),其钻孔速度较原有深孔钻提高了5倍,是一种具有划时代意义的产品。

图10 L/D=30的油孔钻头
本文作者:廖先富(编译)
原载:《工具展望》2007年第1期
上载于:2007-11-26 10:32:57

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