热装夹头在模具加工中的应用
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由于热装夹头的许多先天优势,它已成为模具加工市场首选的高精度主流刀具夹头。
模具行业对加工精度的要求远远高于普通加工。因此,如何根据其特点和优势选用合适的刀具夹头,是模具加工中必须引起高度关注的重要课题。
在过去十年中,热装夹头已在北美模具行业被普遍接受,其应用日益广泛,从而帮助模具加工车间保持其全球竞争力。
总的来说,北美地区的大多数模具制造厂常常忽视铣削加工的刀具夹持问题。然而,模具行业实际上是制造市场中对提高刀具夹持精度要求最迫切的细分行业。由于热装夹头的许多先天优势,它已成为模具加工市场首选的高精度主流刀具夹头。

应对挑战

随着北美模具加工行业正日益变为全球性竞争市场,对降低昂贵劳动力成本的要求已成为模具制造商的当务之急。大多数模具加工车间的目标是减少或完全取消模具的手工研磨和精饰加工时间。这一目标可以通过多种方式来实现,包括使用电火花刻模机、对淬硬模具钢进行硬铣削,以及从加工开始阶段就进行近净成形切削。
为了应对这些挑战,模具加工车间被迫重新审视它们的整个加工流程。例如,为加工选择正确的机床已不再是唯一需要考虑的问题,为了实现高效加工,研究和确定合适的机床控制系统、CAD/CAM软件包、刀具夹头和切削刀具都至关重要。

图1 弹簧夹头和热装夹头

图2 外形纤细、采用3°锥角的热装夹头

图3 可组装的热装加长杆

图4 用于微调平衡的螺孔和高压冷却液出口(冷却液可输送至刀尖处)

图5 具有抗振功的热装夹头在粗加工时可获得更好的表面光洁度

刀具夹头解决方案

在为任何类型的加工寻求刀具夹头解决方案时,都必须首先关注刀具夹头的三个基本特性:
  1. 刚性:刚性取决于足够的锥面接触和刀具夹头在机床主轴上的正确夹紧。
  2. 精度:精度取决于刀具切削刃的最小径跳。
  3. 平衡:平衡取决于对刀具夹头(包括所有的附件,如拉钉)与刀具组合装配后的平衡。
但是,由于模具加工行业对精度的要求远远高于普通加工,因此必须对选用合适的刀具夹头予以更多重视。例如,模具加工车间通常必须考虑以下问题:
  1. 刀具夹头的几何形状:刀具夹头应避免与工件发生干涉碰撞。对于放电加工(EDM),必须对电极进行高精度、高效率加工。在工件加工中,经常需要面对深肋板的加工挑战。此外,加工深型腔(如大型门心板或保险杠模具)时,要求刀具夹头能深入型腔内部空隙进行加工。
  2. 刀具夹头的清洁度:为了避免引入额外的径跳误差,必须保持刀具夹头的清洁(尤其在加工石墨电极时)。
  3. 刀具寿命:由于高端刀具需要在尽可能短的加工时间内获得最佳切削性能,这些刀具通常采用了先进的涂层,价格也相当昂贵,因此要求这些刀具具有较长的工作寿命。
  4. 光洁度:采用较高的切削速度、较大的进给率和较小的切削深度,可以获得较好的加工表面光洁度。为了将刀具切削刃的振动减至最小,刀具夹头的平衡至关重要。此外,良好的排屑性能也有利于改进表面光洁度。
考虑到上述附加要求,许多模具加工车间发现,由于具有某些先天优势,热装夹头有可能成为正确完成加工任务极具竞争力的最佳选择。此外,感应式加热装刀机的发展也使装刀过程变得更容易、更快捷和更安全;同时,采用这种先进技术的投资成本也日益降低。

热装夹头的优势

对于模具加工,热装夹头具有以下10项先天优势:
  1. 难以超越的高精度
    正确制造的热装夹头在三倍于刀具直径处应能保证3μm的最大径跳误差。在不同的人员进行操作时,该精度也具有极高的重复性。
  2. 适用性好的纤巧外形
    热装夹头采用锥角为3°的斜壁形,外形十分纤细小巧。为了防止夹头与工件干涉碰撞,如有必要,也可将夹头修改为直壁形。
  3. 极大的夹紧扭矩
    热装夹头是围绕刀杆周边对刀具进行360°夹紧,因此其夹紧扭矩极大,可以防止刀具在粗加工或精加工时发生位移,从而大幅度降低工件的报废率。
  4. 可选用加长杆
    除标准热装夹头以外,用户还可以选用不同规格的热装加长杆。在加工深型腔时,可将热装加长杆装入标准热装夹头中,从而获得径跳误差极小的夹头延伸长度。
  5. 平衡重复性和可调平衡件
    由于热装夹头没有运动部件,因此可提供超过市场上任何工具夹头系统的最佳平衡重复性。在许多情况下,如果加工车间购买一个配有合适附件(如拉钉)、经过良好平衡的热装夹头,并且使用本身没有固有不平衡性因素(如平面)的优质刀具,那么他们通常无需再进行额外的精细平衡调整,可在高速切削中获得优异的平衡性能。当然,在对夹头系统进行组装后(夹头+刀具+拉钉或冷却液管),如果还需要在平衡机上对夹头系统进行额外的平衡操作,那么市售的许多热装夹头都配备有已内置于夹头上、易于使用的可调平衡件。
  6. 缩短换刀时间/减少夹头附件库存
    如果在换刀过程中使用一台高效的感应加热装刀机,那么热装夹头的换刀时间在各种工具夹头中是最短的,只需5~10秒即可完成换刀,更重要的是,可始终保持换刀时间的一致性。这就使用装刀机组装的热装夹头可以获得更多的切削时间,而不必使机床空转等待换刀。此外,车间几乎不需要库存备用的夹头附件(如夹爪、压帽、密封盘等),从而可简化流程。
  7. 夹头清洁度高
    从设计原理上看,热装夹头是一个典型的密封系统。因此,加工时产生的杂质(如石墨粉尘、切屑等)进入夹头孔的可能性极小。如果杂质进入夹头孔中,常常会影响其径跳精度。
  8. 适合内冷却方式
    热装夹头通常采用创新方式将冷却液或冷空气/油雾输送至刀具切削刃上,从而有助于去除切屑,并有利于获得更好的加工表面光洁度。此外,如果模具加工车间需要进行高精度钻削加工,由于热装夹头不需要附件或专用夹爪,因此是夹持内冷却钻头的理想夹头,夹头的密封设计完全可使冷却液在刀具内部顺畅流动。
  9. 装刀的一致性
    热装夹头的各次装刀操作之间具有极佳的一致性,这对于高速运转的模具加工车间特别有利。例如,由不同操作人员在热装夹头上进行的装刀操作都具有相同的状态,不会受到各种变数(如夹爪压帽过紧或过松、夹头未充分清洁等)的影响。此外,如前所述,热装夹头的平衡重复性也极高。这种装刀一致性与平衡重复性相结合,使加工车间能准确地监控刀具寿命和预测每次装刀可加工的工件数量,这对于提高车间的加工效率也极其重要。
  10. 供货的便利性
    目前,全球大部分主要的刀具夹头制造商都可以提供热装夹头(作为标准产品)。因此,模具加工车间不会像使用高精度弹簧夹头或其他一些夹头系统那样出现供货问题(这些夹头有时只有一家或很少几家制造商生产)。

正确选择热装夹头

热装夹头的供应商很多,产品质量也良莠不齐。因此,在根据特定加工要求选择夹头时,进行相关的研究至关重要。
一般来说,最初购买的刀具夹头将会延长加工机床的使用寿命。研究发现,刀具夹头的全部费用等于(或小于)机床寿命期内加工过程总费用的0.5%。
刀具夹头孔与锥面的关系决定了其夹持精度。选择一家真正生产自己的产品和只生产刀具夹头的专业化公司非常重要,这样可以保证为你的加工提供质量一致的高精度刀具夹头。
热装夹头的材料也是正确选择夹头的一个重要因素。如果制造夹头所用的材料不符合要求,由于其加热-冷却循环次数有限,可能会缩短热装夹头的使用寿命。采用合适材料制造的热装夹头应能保持无限期(长期)的使用寿命。
此外,热装夹头的前端尺寸必须符合德国DIN标准,这样才能利用装刀机的不同冷却方式,这一点十分重要。
一般而言,推荐购买具有多种内置“功能选项”的热装夹头(例如,经过平衡后夹头的不平衡量小于1gmm、可平衡设计、构成“DIN B”冷却液传输选项等)。这样,当今后夹头的使用范围进一步扩展时,局限性较小。
最后,制造热装夹头的公司应是该行业的“领头羊”,可以持续不断地将新的刀具夹持理念注入产品的研究与开发之中,从而进一步拓宽热装夹头在模具加工行业的应用。例如,Haimer公司最近开发出一种具有抗振功能的热装夹头,该夹头具有极好的安装刚性,在粗加工时有助于抑制振动,从而提高加工表面光洁度。

小结

许多加工车间的老板和经理都表示,热装夹头是他们在过去5年中所作的一项最佳投资。刀具热装技术在模具加工行业被广泛接受和应用,对于加强北美的制造能力和实现持续增长发挥了至关重要的作用。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2008年第5期
上载于:2011-1-20 15:36:25

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