在許多猜想、預(yù)測(cè)、希望中，時(shí)代終于跨入了21世紀(jì)。21世紀(jì)的社會(huì)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)將向著循環(huán)經(jīng)濟(jì)型、節(jié)省能源型、高度信息型迅速變化發(fā)展。這就將會(huì)對(duì)機(jī)械加工提出更高的要求。也就意味著加工機(jī)器、加工工具也將迅速走向高精度化、高效率化，實(shí)現(xiàn)高度信息化、智能化，從而適應(yīng)社會(huì)的保護(hù)環(huán)境、節(jié)省能源的要求。
作為加工主體的加工機(jī)器，隨著機(jī)械要素及NC技術(shù)的發(fā)展高速、高精度化得到迅速地普及。這是因?yàn)楦咚偌庸げ坏梢蕴岣呒庸ば�、降低成本，而且可以提高加工精度，適應(yīng)以前作為難題的淬火鋼等難削材料的加工。在刃具方面，硬質(zhì)合金刃具越來越普及，并且適合高速加工的CBN、金剛石刃具，DLC涂層等也不斷被開發(fā)使用。而刀具裝在加工機(jī)器與刃具之間，起著保持刃具的作用。所以高速加工不但要求刃具自身具有良好的剛性、柔性、動(dòng)平衡性及操作性，同時(shí)對(duì)在與機(jī)器主軸連接時(shí)的剛性和連接精度、在保持刃具時(shí)的把持力和把持精度及其它各方面都提出了嚴(yán)格的要求。以下本文就高速、高精度加工時(shí)刀具應(yīng)該具備的條件作一些具體的分析。
兩面定位系統(tǒng)
首先是刀具與主軸間的連接問題，也就是主軸系統(tǒng)�，F(xiàn)在市場(chǎng)上最多的仍是7/24的主軸系統(tǒng)。包括ISO、DIN、BT等都屬于此類。但如前所述，隨著機(jī)械加工的高速化的發(fā)展，這種系統(tǒng)出現(xiàn)了許多的問題:
剛性不足-刀柄的法蘭面與主軸端面間有間隙
ATC的重復(fù)精度不穩(wěn)定-每次自動(dòng)換刀后，刀具的徑向尺寸都可能發(fā)生變化。
軸向尺寸不穩(wěn)定-主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)因受離心力的作用而內(nèi)孔增大，刀具的軸向尺寸發(fā)生變化
刀柄錐部較長(zhǎng)-不利于快速換刀及機(jī)器的小型化針對(duì)這些問題，一些刀具廠家及研究機(jī)構(gòu)開發(fā)了兩面定位的主軸系統(tǒng)。也就是使刀柄與主軸內(nèi)孔錐面、端面同時(shí)貼緊的一種新的連接方式。其中有代表性的是日本大昭和精機(jī)(BIG)的BIG-PLUS系統(tǒng)(圖1)和德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的HSK系統(tǒng)
BIG-PLUS系統(tǒng)的錐度仍是7/24，其設(shè)計(jì)原理是
將刀柄裝入主軸時(shí)(鎖緊前)端面間的間隙減小(#40:0.2mm±0.005)。
鎖緊后利用主軸內(nèi)孔的彈性膨脹補(bǔ)償此間隙,使刀柄與主軸端面貼緊。
這樣產(chǎn)生的效果是:
與主軸的接觸面積增大-剛性增強(qiáng)、振動(dòng)衰減效果提高。
ATC的重復(fù)精度提高-端面的矯正作用。
軸向尺寸穩(wěn)定-顯示端面的定位作用。
因?yàn)锽IG-PLUS系統(tǒng)的錐度仍是7/24，鎖緊機(jī)構(gòu)也一樣，所以它和一般的系統(tǒng)(非兩面定位)之間有互換性。這也是BIG-PLUS系統(tǒng)能得到迅速普及的一個(gè)原因。
HSK系統(tǒng)的錐度是1/10，刀柄中空、短柄。它的原理也是利用鎖緊力及用主軸內(nèi)孔的彈性膨脹補(bǔ)償初期端面的間隙。只是因?yàn)樗侵锌盏侗�，自身有較大的彈性變形，可能因?yàn)橹鬏S內(nèi)孔的膨脹而刀柄本身也膨脹，所以它對(duì)制造時(shí)的公差精度的要求相對(duì)較松。另外由于它的質(zhì)量小、柄部短，所以有利于高速ATC及機(jī)器的小型化。但也正因?yàn)樗侵锌斩瘫�，所以剛性、�?qiáng)度要受到一定程度的影響。
無論如何，兩面定位系統(tǒng)彌補(bǔ)了普通系統(tǒng)的許多不足，必將成為刀具系統(tǒng)的主流.
刀具自身的剛性與動(dòng)平衡性
刀具的剛性一直是機(jī)械加工中被重視的主要問題之一。剛性不足會(huì)引起刀具的振動(dòng)或發(fā)生刀具傾斜，影響加工精度、加工效率。并且因?yàn)榈毒叩恼駝?dòng)會(huì)加快刃具的磨損，甚至影響刀具及機(jī)器的壽命。如果將刀柄桿部近似成一實(shí)心圓柱剛體，那它的剛性與截面直徑的4次方成正比，與柱長(zhǎng)的3次方成反比。也就是說，一把刀柄在它的質(zhì)量限定后，當(dāng)然越粗越短剛性便越強(qiáng)。
除此以外，還可以通過改變其自身結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)剛性。比如一般的銑刀夾頭雖然其鎖緊螺母很粗，但螺母底部與刀柄本體之間總有間隙，使剛性損失很多。高速加工對(duì)刀具的動(dòng)平衡性也提出很高的要求。這是因?yàn)閯?dòng)平衡性不好的刀具在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受很大的離心力的作用(與不平衡力矩及轉(zhuǎn)速的平方成正比)，刀桿發(fā)生彎曲并容易引起振動(dòng)。彈簧夾頭、銑刀刀柄可以通過平衡修正來解決這個(gè)問題。但是如一般帶微調(diào)機(jī)構(gòu)的精鏜頭，在調(diào)節(jié)加工直徑時(shí)鏜頭的重心也在改變，所以就無法通過平衡修正來取得動(dòng)平衡。
最近，日本大昭和精機(jī)推出了一種可以進(jìn)行自動(dòng)平衡補(bǔ)償?shù)溺M頭。其原理如圖3所示，在鏜頭內(nèi)部安裝了一個(gè)小齒輪和一個(gè)平衡塊，在調(diào)節(jié)直徑、使套管軸向外移動(dòng)時(shí)，平衡塊將通過小齒輪的作用向相反方向移動(dòng)，從而保持重心位置不變。
把持力和把持精度
特別是在立銑刀的加工時(shí)把持力尤為重要。因?yàn)榱€姷兜牡度卸紟в新菪�，所以加工時(shí)切削力在軸向的分力就很大。把持力不足就可能會(huì)使刃具(立銑刀)被拉出，影響加工精度，甚至損壞刃具及工件。增強(qiáng)刀柄把持力的方法主要是通過嚴(yán)格控制內(nèi)孔的公差、保證足夠的把持長(zhǎng)度并合理地選材、設(shè)計(jì)盡量有效地將鎖緊力轉(zhuǎn)換成徑向的把持力。
高速加工的深入將意味著硬質(zhì)合金的刃具將取代高速鋼刃具。這樣刀具的把持精度便成為一個(gè)重要的課題。想象一下用三爪鉆夾頭夾持硬質(zhì)合金的鉆頭進(jìn)行20,000r/min加工的情景:鉆頭折斷、工件報(bào)廢、生產(chǎn)中斷……
刀具的把持精度的重要性還體現(xiàn)在鉸刀的加工中。象一些小、深孔的精加工時(shí)，鉸刀用得較多，但如果刀具的把持精度不好，鉸刀前端的跳動(dòng)很大的話，加工的孔徑肯定會(huì)超出公差范圍，得不到理想的效果。
要提高刀具的把持精度，就意味著必須“完全均勻”地把持刃具。如果是彈簧夾頭，由于它的固定原理是旋緊螺母→壓入套筒→套筒內(nèi)徑縮小→夾緊刃具，那影響它的把持精度的要素除本體的內(nèi)孔精度、螺紋精度、套筒的外錐面的精度，把持孔的精度、以及螺母的螺紋精度以外，螺母與套筒的接觸面的精度、套筒的壓入方式都很重要。
信息化、智能化
由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的變化周期日益縮短，機(jī)械加工同樣面臨著“多品種、少批量”的問題。這使得刀具的數(shù)量增加，工件、刀具的準(zhǔn)備時(shí)間也增加，影響加工效率。解決這個(gè)問題的方法就是利用IC系統(tǒng)，自動(dòng)識(shí)別刀具，掌握刃具信息、加工狀況，并通過計(jì)算機(jī)對(duì)這些信息進(jìn)行一元化管理。圖4是日本大昭和精機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的IC系統(tǒng)的示意簡(jiǎn)圖。
除此以外，還有象刃具破損自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)測(cè)量孔徑并自動(dòng)補(bǔ)償?shù)都庵睆降燃夹g(shù)都體現(xiàn)了機(jī)械加工的信息化、智能化的發(fā)展。
今后，為了提高高速、高效率加工時(shí)的信賴性，越來越多的智能型的刀具、刃具會(huì)被開發(fā)使用。
結(jié)束語
以上主要介紹了高速、高精度加工時(shí)刀具應(yīng)該具備的條件。實(shí)際上高速加工不單純是指主軸的轉(zhuǎn)速快，而是指整體的加工時(shí)間的短縮。這也關(guān)系到復(fù)合加工機(jī)的刀具配置問題。環(huán)境保護(hù)也是機(jī)械加工的一個(gè)重要課題，對(duì)于刀具來說必須考慮如何適應(yīng)干式加工或準(zhǔn)干式加工。針對(duì)節(jié)約能源的問題，又要求刀具有高效率化(增速刀具、電動(dòng)、氣動(dòng)刀具等)和充分的柔性。
