日本黑田精工株式會社的鈴木繁先生于10年前在機械技術雜志上發(fā)表了關于高轉速加工時工具系統(tǒng)存在問題的文章，當時將加工中心的高轉速定義為1萬轉以上。而現(xiàn)在，主軸轉速達3～4萬轉的機床已作為標準型機床在市場上銷售。如果再一次以工具系統(tǒng)作為對象來定義，而高轉速的定義保持不變，則主軸轉速在3萬轉以上可以定義為超高轉速，其理由是主軸轉速在3萬轉以上時，原有的工具系統(tǒng)就不適用了。具有超高轉速主軸的加工中心主要用于加工高硬度材料的小型精密模具。用于小型民用產(chǎn)品、插接件等的高精度模具的制造對技術和技能的要求很高，在激烈的競爭環(huán)境下，企業(yè)要謀求高附加值，就必須推進高精度化和降低加工成本。
超高轉速主軸的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在能實現(xiàn)高效切削。特別是在模具的精加工中，用直徑約φ1mm的立銑刀進行高速銑削，能夠省去后續(xù)研磨工序，而研磨加工是難以實現(xiàn)自動化的手工作業(yè)，是實現(xiàn)模具制造自動化的一大難題。在高速精銑加工中，加工精度可達到2～3μm，要使加工精度達到2μm，則刀尖的跳動精度至少應控制在2μm以下。因此，超高轉速切削用工具系統(tǒng)必須滿足以下要求：①優(yōu)良的旋轉平衡；②優(yōu)良的刀柄重復再現(xiàn)性；③優(yōu)良的刀具裝夾重復再現(xiàn)性；④良好的徑跳精度。
下面分別介紹黑田精工株式會社制造的適用于超高轉速高精度切削的工具系統(tǒng)產(chǎn)品。
超高轉速切削用熱裝刀柄
銑削加工小型高硬鋼精密模具的主流刀具為φ6mm以下的立銑刀，統(tǒng)一使用φ3、φ4和φ6mm三個規(guī)格的熱裝刀柄。這種刀柄構造簡單，非常適合超高速銑削。只要采用合理的工藝，就能制造出徑跳精度很高的刀柄，且刀柄安裝的重復精度極佳。
最近開發(fā)的高性能電磁感應加熱式裝刀設備，只需數(shù)秒鐘即可完成加熱，但需要5分鐘才能完成強制冷卻。此外，在熱裝操作中稍有疏忽就容易發(fā)生燒傷事故。因此從現(xiàn)場安全考慮，希望開發(fā)出能滿足超高轉速使用要求的彈簧夾頭。
適合超高轉速切削的彈簧夾頭
適合超高轉速切削的彈簧夾頭必須滿足前述的各項要求。為此，黑田精工株式會社進行了以下改進設計，開發(fā)了CMG系列產(chǎn)品：①取消了螺母外形部分扳手用的溝槽結構；②使彈簧夾頭主體最短化，并盡可能不采用銑削加工；③增加了螺母前后端的防塵密封設計；④開發(fā)了專用扳手。
通過以上改進設計，減少了不平衡的可能性；考慮到銑削時靠近工件而不易發(fā)生干涉，縮小了螺母外形，并使其兼?zhèn)溥m應高效銑削的高剛性；彈簧夾頭的徑跳精度在標準試棒4d端部處控制在3μm以內(nèi)；柄部以HSKE32為標準，選擇制造HSKE25型柄部。
由于取消了夾頭螺母上扳手用的溝槽，因此需要使用專用單向超越離合器式扳手。在開發(fā)彈簧夾頭時，為了保持良好的夾緊性能，以帶扭矩限制器的扳手作為開發(fā)標準。雖然購買這種扳手價格較高，但為了保證彈簧夾頭使用性能良好穩(wěn)定，價格貴一些也是合算的。經(jīng)過上述改進的彈簧夾頭能在40000r/min轉速條件下正常工作。但是，根據(jù)機床主軸的質量（粗細），有必要對不平衡進行修正。
徑跳精度補償?shù)侗?BR>
即使機床主軸、刀柄和刀具都是高精度產(chǎn)品，但將它們組合安裝于主軸上后，由于三者徑跳量的累積，刀具前端的徑跳有時也會達到6μm以上。在這種情況下，如果能將刀具前端的徑跳精度調整到1μm以內(nèi)，對刀尖壽命和已加工面質量的提高都具有顯著效果。雖然這種刀柄不是面向超高轉速切削，但它適合高精度的銑削加工。
黑田精工株式會社開發(fā)的徑跳精度補償?shù)侗臉嬙焯攸c是在彈簧夾頭體的直圓柱部分裝有內(nèi)孔壁中部開了空刀槽的徑跳補償環(huán)，當擰緊該補償環(huán)中部的徑跳補償螺釘時，可使夾頭體變形成“く字形”并使其端部與中心線同心，其優(yōu)點是徑跳補償環(huán)可在裝配的最后裝上，當不需要補償時，可將徑跳補償環(huán)卸下后作為普通彈簧夾頭使用。使用方法是將裝好刀具的彈簧夾頭安裝在機床主軸上，用徑跳測量儀測量刀尖的徑跳，如測量刀尖有困難，也可測量刀具柄部前端圓柱的徑跳。
徑跳補償?shù)木唧w方法是：首先找出徑跳最大負值的旋轉位置，然后將補償環(huán)轉到該位置使其對準徑跳補償螺釘，一邊觀察徑跳測量儀顯示的徑跳值，一邊調整徑跳補償螺釘?shù)臄Q緊程度，使刀尖靠向正值一側，即可將徑跳精度補償至1μm左右。這一過程并不復雜，即使是初次操作，也能很容易地完成補償。
由于徑跳精度補償?shù)侗鞘沟侗a(chǎn)生彈性變形來修正刀尖位置，以提高徑跳精度，因此在徑跳精度補償后刀具平衡將被破壞。為確定其影響，分別檢測了徑跳精度補償前后回轉中心的徑跳變化。測試中使用超級BT刀柄（新型兩面定位夾緊BT刀柄）BTS40-CMA13-105HH，用彈簧夾頭夾持φ12.5標準試棒，檢測懸伸量82mm處的利薩如波形。由于普通彈簧夾頭徑跳很小，因此專門準備了精度較差、徑跳值相對較大的彈簧夾頭。測試時，緩慢地提高轉速，觀察50r/min時和10000r/min時徑跳值的變化，結果在徑跳精度補償前增加了9.6μm，在徑跳精度補償后增加了3.3μm。由于標準試棒較粗且懸伸長度大，因此對其進行徑跳精度補償所引起的重心移動量比彈簧夾頭大。通過改變旋轉速度，可觀察到機床主軸徑跳的微妙變化過程。由此可知，在超高轉速條件下，不僅對靜態(tài)徑跳精度的評價很重要，對動態(tài)徑跳精度的分析也不可忽視。
近來，在微型球頭立銑刀產(chǎn)品中，開發(fā)了刀尖半徑小于0.05mm的硬質合金立銑刀和CBN整體式立銑刀等微型刀具，用這些產(chǎn)品以合理的切削速度進行加工時，要求進一步提高轉速和回轉精度，因此對工具系統(tǒng)使用條件的要求將越來越苛刻，今后仍需進一步推進滿足市場需求的研究開發(fā)。 |
