適合高速加工的工具系統

近年來，高速加工已成為切削加工的重要發展趨勢之一。高速加工不僅可以提高加工效率和加工精度，降低加工成本，而且可以滿足淬火鋼等難切削材料的加工要求。高速加工不僅要求刀具自身具有良好的剛性、柔性、動平衡性及操作性，同時對工具系統與機床主軸的聯接剛性、聯接精度以及對刀具的把持力、把持精度等都提出了嚴格要求。

2 高速加工對工具系統的要求

兩面定位工具系統

目前市場上大量應用的仍是7:24錐度的工具系統(ISO 、DIN、BT等工具系統均屬此類)。隨著切削高速化的發展，此類工具系統暴露出以下不足：①剛性不足，刀柄的法蘭面與主軸端面之間存在間隙；②ATC(自動換刀)的重複精度不穩定，每次自動換刀后刀具的徑向尺寸都可能發生變化；③軸向尺寸不穩定，主軸高速轉動時因受離心力作用內孔會增大，使刀具軸向尺寸發生變化；④刀柄錐部較長，不利於快速換刀及機床的小型化。

為解決上述問題，一些研究機構和刀具企業開發了一種可使刀柄在主軸內孔錐面和端面同時定位的新型聯接方式——兩面定位工具系統，其中最具代表性的是日本大昭和精機(BIG)開發的BIG-PLUS 工具系統和德國標準的HSK 工具系統。

BIG-PLUS 工具系統

圖1所示的BIG-PLUS工具系統仍採用7:24錐度，其結構設計可減小刀柄裝入主軸時(鎖緊前)與端面的間隙(如40 「刀柄的間隙為0.2±0.005mm)，鎖緊后可利用主軸內孔的彈性膨脹對該間隙進行補償，使刀柄與主軸端面貼緊。

BIG-PLUS工具系統具有以下優點：①增大了與主軸的接觸面積，增強了系統剛性，提高了對振動的衰減作用；②利用端面的矯正作用提高了ATC 的重複精度；③端面定位作用使系統軸向尺寸更為穩定。

由於BIG-PLUS 工具系統仍採用7:24錐度，鎖緊機構也無不同，因此它與一般非兩面定位系統之間具有互換性，這也是BIG-PLUS 工具系統得以迅速推廣的一個重要原因。

HSK 工具系統

如圖2 所示的HSK工具系統採用1:10 錐度，刀柄為中空短柄，其工作原理是利用鎖緊力及主軸內孔的彈性膨脹補償端面間隙。由於中空刀柄自身具有較大彈性變形，因此對刀柄的製造精度要求相對較為寬鬆。此外，由於HSK工具系統質量較小，柄部較短，有利於高速ATC及機床的小型化。但另一方面，HSK工具系統的中空短柄結構將使系統剛性和強度受到一定影響。

兩面定位工具系統彌補了傳統工具系統的許多不足，必將成為工具系統的主流，得到越來越廣泛的應用。

工具系統的剛性與動平衡性能

工具系統的剛性是切削加工中不容忽視的問題。剛性不足會引起工具系統振動或傾斜，影響加工精度和加工效率。同時，工具系統的振動會加快刀具磨損，甚至影響刀具及機床的壽命。

如果將刀柄桿部近似看作一實心圓柱剛體，則其剛性與圓柱截面直徑的4次方成正比，與圓柱長度的3次方成反比，即在質量一定的條件下，刀柄越粗、越短，其剛性越強。

除刀柄形狀外，還可通過改變刀柄結構來增強剛性。如一般的銑刀夾頭雖然鎖緊螺母較粗，但由於螺母底部與刀柄本體之間存在間隙，使夾頭剛性損失很多。圖3所示為日本大昭和精機株式會社生產的MEGA-D倍力型銑刀刀柄。該刀柄的螺母鎖緊后，螺母底面與刀柄本體完全貼緊，因此大大增強了系統剛性。與普通銑刀刀柄相比，倍力型銑刀刀柄的切削效率可提高兩倍多。

高速加工對刀具的動平衡性能也提出了很高要求；如果刀具動平衡性能不好，在高速轉動時將受到很大的離心力作用(與不平衡力矩及轉速的平方成正比)，容易使刀桿彎曲併產生振動。一般來說，彈簧夾頭、銑刀刀柄等可通過平衡修正來達到動平衡；但對於帶微調機構的精譴頭，由於調節加工直徑時譴頭的重心也在改變，所以無法通過平衡修正來實現動平衡。

日本大昭和精機株式會社新推出一種可進行自動平衡補償的譴頭。其工作原理如圖4所示。譴頭內部安裝了一個小齒輪和一個平衡塊，在調節直徑、使套管軸向外移時，平衡塊通過小齒輪的作用向相反方向移動，從而保持系統重心位置不變。

刀柄把持力及把持精度

銑刀柄對銑刀的把持力在銑削加工中十分重要。由於立銑刀刀刃帶有螺旋角，加工時切削力的軸向分力很大，若工具系統對銑刀的把持力不足，輕則影響加工精度，重則引起刀具及工件損壞，甚至造成安全事故。

增強刀柄把持力的主要方法包括嚴格控制刀柄內孔公差、保證足夠的把持長度、合理選擇刀柄材料、通過結構設計有效實現將鎖緊力轉換為徑向把持力等。

高速加工對工具系統的把持精度也提出了更高要求。例如：用三爪鑽夾頭夾持硬質合金鑽頭進行高速(20000r/min )鑽削時，若鑽夾頭對鑽頭的把持精度不夠，會造成鑽頭折斷、工件報廢；在進行小、深孔鉸削精加工時，若工具系統把持精度不好，鉸刀前端跳動過大，會使加工出的孔徑超差。

提高工具系統的把持精度意味著必須「完全均勻」地把持刀具。對於不同的刀具，應採用不同的解決方案：彈簧夾頭的工作原理為旋緊螺母一壓入套筒一套筒內徑縮小一夾緊刃具，影響其把持精度的因素除了夾頭本體的內孔精度、螺紋精度、套筒外錐面精度、把持孔精度及螺母的螺紋精度外，螺母與套筒接觸面的精度以及套筒的壓入方式都很重要。普通彈簧夾頭的壓入方式如圖5a所示，在鎖緊螺母過程中，螺母與套筒的接觸面間一直存在相對運動，這不僅使套筒受扭力作用，而且接觸面會產生磨損，很難獲得或保持良好的把持精度。日本大昭和精機株式會社設計生產的高精度彈簧夾頭的壓入方式如圖5b所示，它的螺母被分為內、外兩部分，中間安裝了滾珠軸承，當螺母接觸套筒的瞬間，螺母的內側部分停止轉動，與套筒間無相對運動，螺母的鎖緊力完全轉化為對套筒的壓力，這種壓入方式可使夾頭獲得較大把持力和較高把持精度。

3 刀具智能化管理系統

隨著產品品種、結構的變化周期越來越短，多品種、小批量的柔性加工方式日益普及，這種生產方式使刀具的數量及加工準備時間大大增加，如果缺乏對刀具的有效管理，勢必影響加工效率。日本大昭和精機株式會社開發設計了可自動識別刀具、掌握刀具信息、加工狀況並通過計算機對相關信息進行智能化管理的IC系統，其示意圖如圖6所示。

此外，刀具破損自動報警、自動測量孔徑並自動補償刀尖直徑等技術都體現了切削加工智能化的發展趨勢。為了提高高速、高效加工的可靠性，越來越多的智能型刀具及工具系統將被開發使用。