刀柄是確保加工生產(chǎn)率的重要環(huán)節(jié)
2019-11-28 來(lái)源：山高 作者： Yves Heitz 刀柄系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)理
上海, 2019 年 11 月 - 精密的機(jī)床配合先進(jìn)的切削刀具可提供出色的金屬切削生產(chǎn)率。而刀柄作為切削刀具和機(jī)床主軸之間的關(guān)鍵性接口，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率至關(guān)重要。刀具制造商提供多種刀柄類(lèi)型，每種類(lèi)型的刀柄在特定加工應(yīng)用中都具有最佳性能。因此，加工車(chē)間應(yīng)根據(jù)其特定工序以及生產(chǎn)的零件選擇刀柄。然而，雖然車(chē)間希望采用最先進(jìn)的機(jī)床技術(shù)和切削刀具材料，但對(duì)于選擇、應(yīng)用和維護(hù)最適合其特定生產(chǎn)需求的刀柄，他們通常并不重視。
所有刀柄都不盡相同
沒(méi)有一個(gè)刀柄系統(tǒng)是萬(wàn)能的。專(zhuān)為高速精加工工序而打造的刀柄通常會(huì)缺乏高效加工所需的剛性和強(qiáng)度，例如，粗加工毛坯鑄件。相反，用于粗加工的刀柄通常會(huì)缺乏動(dòng)平衡性，這種動(dòng)平衡性能夠使刀柄在精加工工序中高速平穩(wěn)運(yùn)行。此外，粗加工刀柄的粗壯設(shè)計(jì)和大體積可能會(huì)限制其夠到較精細(xì)或較深的零件特征。而難加工材料需要具有增強(qiáng)強(qiáng)度和剛性的刀柄。此外，刀柄的減振能力以及冷卻液輸送能力也是重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)。
使用不合適的刀柄會(huì)導(dǎo)致尺寸誤差和零件報(bào)廢，以及機(jī)床主軸過(guò)度磨損、刀具壽命縮短和刀具斷裂風(fēng)險(xiǎn)增加。在非關(guān)鍵性作業(yè)中，物美價(jià)廉的刀柄可能會(huì)產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果。但是，在必須獲得可重復(fù)精度的工序中，尤其是在昂貴工件報(bào)廢會(huì)降低零件的利潤(rùn)率時(shí)，投資以應(yīng)用為中心的高質(zhì)量刀柄可以以較低的成本防范此類(lèi)意外損失。
某些車(chē)間經(jīng)理可能認(rèn)為在各種應(yīng)用中使用長(zhǎng)型刀柄可以有效節(jié)約成本。然而，盡可能使用最短的刀柄將最大限度地提高剛性，減少導(dǎo)致表面質(zhì)量下降的振動(dòng)并保持刀具壽命。
刀柄占總生產(chǎn)成本不到 2%。即使將刀柄成本減半，對(duì)總生產(chǎn)成本也只是微不足道的節(jié)省，而工件報(bào)廢或刀具斷裂對(duì)成本有重大影響。優(yōu)質(zhì)刀具和刀柄可提高金屬切削生產(chǎn)率，從而立即獲得刀具投資回報(bào)。尤其是在航空航天零部件制造等對(duì)加工工藝穩(wěn)定性要求極為嚴(yán)格的行業(yè)中，許多制造商都將重點(diǎn)放在購(gòu)買(mǎi)優(yōu)質(zhì)刀具上，以避免生產(chǎn)出有缺陷的零件或是將時(shí)間浪費(fèi)在故障排除和生產(chǎn)中斷上。航空航天制造商通常要花較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)驗(yàn)證新的刀柄概念，然后才能進(jìn)行生產(chǎn)認(rèn)證。
工件因素影響刀柄選擇
影響刀柄選擇的因素包括每個(gè)作業(yè)中工件材料的可加工性以及最終零件的配置，這些因素可確定到達(dá)特定輪廓或特征所需的刀柄尺寸。刀柄應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單且易于使用，以盡量減少操作員出錯(cuò)的可能性。
無(wú)論采用哪種刀柄技術(shù)，機(jī)床的剛性、主軸功率和產(chǎn)生嚴(yán)格公差的能力將決定什么工序是可行的。例如，在磨損的機(jī)床上嘗試產(chǎn)生微米級(jí)公差就不切實(shí)際。
機(jī)床的基本構(gòu)件起著關(guān)鍵作用 — 具有線性導(dǎo)軌的快速機(jī)床將充分利用專(zhuān)為高速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的刀柄，而具有箱型槽的機(jī)床則為重載加工提供支持。多任務(wù)機(jī)床可同時(shí)完成車(chē)削和銑削/鉆削工序。
也可以根據(jù)加工策略選擇刀柄。例如，為了在高速切削 (HSC) 工序中或在高性能切削 (HPC) 應(yīng)用中最大限度地提高生產(chǎn)率，車(chē)間會(huì)選用不同的刀具，前者涉及較淺的切削深度，后者重點(diǎn)關(guān)注在功率充足但速度有限的機(jī)床上產(chǎn)生較高的金屬切除率。
較低的可重復(fù)徑向跳動(dòng)有助于確保恒定的刀具嚙合量，從而減少振動(dòng)并最大限度地延長(zhǎng)刀具壽命。平衡至關(guān)重要，高質(zhì)量刀柄應(yīng)在 G2,5-25000 rpm 質(zhì)量 (1 g.mm) 下達(dá)到精密動(dòng)平衡。加工車(chē)間可以根據(jù)實(shí)際情況，或咨詢刀具供應(yīng)商，確定能夠以經(jīng)濟(jì)高效的方式滿足其生產(chǎn)需求的刀柄系統(tǒng)。
每種刀柄都有自己的細(xì)分市場(chǎng)
無(wú)論是簡(jiǎn)單的側(cè)固式、夾套式、熱縮式、機(jī)械式還是液壓式，刀柄都應(yīng)符合特定的工序要求。例如，用于側(cè)固柄刀具的簡(jiǎn)單立銑刀刀柄堅(jiān)固、易于使用，可傳輸高扭矩，并提供安全和堅(jiān)固的夾緊功能，具有強(qiáng)大的防拉拔作用。這類(lèi)刀柄非常適合重載粗加工，但缺少精確的同心度。通常，它們本質(zhì)上是不平衡的，不能有效地應(yīng)用于使用高轉(zhuǎn)速的應(yīng)用。
彈簧夾頭和可互換夾套是最常用的圓形刀柄技術(shù)。經(jīng)濟(jì)高效的 ER 式提供各種尺寸，并提供足夠的夾持力，以實(shí)現(xiàn)可靠的輕銑削和鉆削工序。高精度 ER 夾套式刀柄具有較低的徑向跳動(dòng)（在刀尖處 < 5μm）和可平衡用于高速工序的對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，而加強(qiáng)型則可用于重載加工。ER 刀柄便于快速轉(zhuǎn)換，可適應(yīng)各種刀具直徑。熱脹刀柄可提供強(qiáng)大的夾緊力，在 3xD 處具有 3 μm 的同心度，且具有極佳的動(dòng)平衡質(zhì)量。小巧的刀柄設(shè)計(jì)可以很好地夠到棘手的零件特征。
Shrinkfit_Holder.jpg
增強(qiáng)型刀柄可進(jìn)行中等至重載銑削，但夾持力取決于刀桿和刀柄的內(nèi)徑公差。熱脹式刀具需要購(gòu)買(mǎi)特殊加熱裝置，加熱/冷卻過(guò)程比簡(jiǎn)單地切換夾套需要更多的安裝時(shí)間。
機(jī)械銑削夾頭通過(guò)多排滾針軸承提供強(qiáng)大的夾持力和高徑向剛性。該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)重載銑削和快速換刀，但跳動(dòng)量可能大于夾套系統(tǒng)。機(jī)械夾頭的尺寸通常大于其他刀柄類(lèi)型，這可能會(huì)限制刀具夠到某些零件特征。
Power Milling Chuck.jpg
與機(jī)械夾頭相比，使用油壓產(chǎn)生夾緊力的液壓夾頭具有更少的內(nèi)部構(gòu)件，因此外形相對(duì)更纖細(xì)。液壓夾頭的徑向跳動(dòng)較低，在高主軸轉(zhuǎn)速下可有效地進(jìn)行擴(kuò)孔、鉆孔和輕銑削，但對(duì)大徑向負(fù)載敏感。
與刀柄如何固定切削刀具同樣重要的，是如何將刀柄安裝到機(jī)床主軸上。刀柄的主軸或錐形端決定了扭矩傳遞能力及刀具對(duì)中精度。傳統(tǒng) BT、DIN 和 CAT 刀柄錐度適用于較小的機(jī)床，但在高速加工方面可能會(huì)受到限制。與刀柄錐面和端面雙面接觸的型號(hào)可提供更高的剛性和精度，尤其是在大懸伸情況下。可靠傳遞更大的扭矩需要更大的錐度尺寸。例如，HSK-E32 刀柄不能在重載加工中替代 HSK-A125A。
刀柄錐度形式的選擇通常因地區(qū)而異。二十世紀(jì)九十年代中期，5 軸機(jī)床越來(lái)越受歡迎，HSK 正是在這期間開(kāi)始在德國(guó)涌現(xiàn)。CAT 刀柄主要用于美國(guó)，而在亞洲，BT 刀柄非常受歡迎，并且經(jīng)常為錐面/端面雙面接觸的型號(hào)。
HSK 常用于 5 軸加工。PSC（多邊形夾緊系統(tǒng)：Capto）和 KM 連接主要用于多任務(wù)機(jī)床，采用 ISO 標(biāo)準(zhǔn)。KM和 Capto 都是模塊化系統(tǒng)，允許通過(guò)組合接長(zhǎng)桿或縮徑桿以裝配特定長(zhǎng)度的刀具。隨著多任務(wù)機(jī)床越來(lái)越普遍，能夠在一次裝夾中實(shí)現(xiàn)車(chē)、銑、鉆等加工類(lèi)型的刀柄越來(lái)越受歡迎。
Hydraulic Chuck.jpg
盡管專(zhuān)用的刀柄系統(tǒng)具備出色性能，但車(chē)間必須計(jì)算盈利性。來(lái)自單一供應(yīng)商的專(zhuān)用系統(tǒng)往往成本較高，并且刀具的選擇余地有限。
成本和其他注意事項(xiàng)
雖然液壓式或機(jī)械式刀柄的基本成本比夾套式或熱脹式刀柄的基本成本更高，但后者還牽涉到其他因素，例如熱脹加熱系統(tǒng)的費(fèi)用，以及更換刀具所需的時(shí)間。此外，每個(gè)刀具直徑還需要有相應(yīng)的熱脹式刀柄，相對(duì)而言，在彈簧夾頭刀柄系統(tǒng)中只需切換夾套即可適應(yīng)不同的直徑。
機(jī)床操作員和刀具維護(hù)人員務(wù)必需要正確使用刀柄。與機(jī)床和其他制造設(shè)備一樣，刀柄需要正確使用和維護(hù)，以最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)及潛能。例如，操作員必須將刀桿完全插入刀柄中，如果插入不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致刀具出現(xiàn)準(zhǔn)確性盡失的振動(dòng)狀況甚至彈出。遵循刀具裝配規(guī)范至關(guān)重要。在擰緊夾頭時(shí)，操作員不得使用加長(zhǎng)手柄來(lái)施加過(guò)大的扭矩，這會(huì)扭曲夾套并導(dǎo)致刀具錯(cuò)位。
刀具維護(hù)也很重要，但這點(diǎn)通常被忽略。操作員應(yīng)始終清潔刀柄后再使用，也應(yīng)檢查機(jī)床主軸。刀柄應(yīng)存放在清潔干燥的地方，并用蓋子保護(hù)刀具錐面。應(yīng)定期檢查液壓夾頭的油液壓力。
總結(jié)
加工車(chē)間必須重視刀柄在加工系統(tǒng)中的重要性，并了解如何將正確的刀柄與特定機(jī)床、加工策略和工件正確匹配來(lái)提高生產(chǎn)率和降低成本。同時(shí)，刀柄制造商提供全面的刀柄選擇（參見(jiàn)附注），旨在滿足個(gè)性化的工藝需求。
未來(lái)的技術(shù)改進(jìn)將不再局限于刀柄本身。使用軟件和 RFID 標(biāo)簽進(jìn)行刀具管理是基于數(shù)據(jù)的制造的一個(gè)要素，并且正在變得越來(lái)越普遍。刀柄技術(shù)的進(jìn)步包括配備傳感器的刀柄，可實(shí)時(shí)監(jiān)控刀柄上的力。所收集的數(shù)據(jù)允許操作員在加工過(guò)程中對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，甚至可以通過(guò)與機(jī)器控制單元連接的人工智能 (AI) 自動(dòng)調(diào)整。這些技術(shù)和其他新技術(shù)將進(jìn)一步增加刀柄在加工工序中的生產(chǎn)貢獻(xiàn)值。
（附注）
滿足各種需求的刀柄
多年來(lái)，山高刀具在不斷擴(kuò)展刀柄系列，以滿足特定的客戶需求。2000 年，山高刀具收購(gòu)了法國(guó)刀柄系統(tǒng)公司 EPB，該公司在刀柄、鏜頭和減振刀柄的設(shè)計(jì)和制造方面經(jīng)驗(yàn)豐富，由此山高刀具能夠提供多種專(zhuān)為處理特殊加工應(yīng)用而設(shè)計(jì)的刀柄。
例如，山高刀具提供不同的熱脹刀柄類(lèi)型，有多種長(zhǎng)度和頭部外形。HD 型熱脹刀柄專(zhuān)為重載粗加工而設(shè)計(jì)，而 DIN型 熱脹刀柄則是對(duì)質(zhì)量有很高要求的高速切削工序中半精和精加工的首選。M&D（模具）型熱脹刀柄設(shè)計(jì)用于深腔中的半精和精加工，常見(jiàn)于模具和航空航天制造業(yè)。
此外，山高刀具還提供 ER 和 HP 彈簧夾頭。ER 夾頭通用性好并且很受歡迎，一種規(guī)格的夾頭通過(guò)安裝不同尺寸的彈簧夾套可以允許用戶夾持一系列直徑的刀具。HP 彈簧夾頭設(shè)計(jì)用于在高速精加工和輕載粗加工應(yīng)用中保證良好的工件表面質(zhì)量。刀柄具有減振效果，可減少一定的加工振動(dòng)，并且刀具斷裂造成的影響較小，因?yàn)橹恍韪鼡Q夾套和刀具即可立即恢復(fù)加工。
對(duì)于重載加工，山高刀具的預(yù)平衡強(qiáng)力銑削夾頭具有較高的金屬切除率，并且可替代熱脹式或側(cè)固式刀柄。這類(lèi)夾頭易于操作，并且可使用縮徑套固定不同的刀具直徑。此外，液壓膨脹夾頭還通過(guò)膨脹套筒提供了刀柄的多功能性，在 3xD 處具有小于 5 μm 的徑向跳動(dòng)，并且經(jīng)過(guò)精細(xì)平衡，適用于高速切削應(yīng)用。整體式儲(chǔ)油罐充當(dāng)減振劑，有助于優(yōu)化表面質(zhì)量。
山高的銷(xiāo)售工程師對(duì)刀柄特性、功能和應(yīng)用非常了解，區(qū)域技術(shù)專(zhuān)家也全力提供支持。經(jīng)驗(yàn)豐富的專(zhuān)業(yè)技術(shù)支持可幫助客戶選擇最適合其特定零件、設(shè)備和加工策略的刀柄。山高產(chǎn)品樣本還提供詳細(xì)的技術(shù)指南，幫助用戶做出最具生產(chǎn)力和成本效益的選擇。
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