CNC復合高速微細自動化切削用工具系統

　　近年來，CNC多軸控制復合切削、高速切削、微細形狀精密切削以及超精切削技術的發展及應用引人注目。同時，與此相適應的工具系統技術也有了顯著進步，其特點是：在CNC多軸控制復合切削、高速切削和高精度切削中，當刀具懸伸量很大時仍具有很高的剛性及穩定性；在結構設計上，主軸、刀柄和刀具采用一體化設計，將系統構件減至最少，并使其具有優良的高速旋轉特性。


    工具系統發展的最新動向

    （1）CNC復合切削用工具系統

    所謂CNC復合切削，是指綜合應用功能各異的銑刀、鉆頭等旋轉刀具以及車刀等固定刀具完成多種切削任務。為此，使用的工具系統必須是多功能化的。采用CNC復合切削技術及相應工具系統加工模具零件時，過去要用多道工序才能完成加工，現在只用一道工序就能完成包括深孔在內的全部加工作業，從而大大簡化了工序，提高了加工質量。CNC復合切削用工具系統新產品包括兩類產品，一類是用于旋轉刀具的工具系統；另一類是用于非旋轉刀具的工具系統，其與主軸的連接結構與旋轉刀具用工具系統相同。


    目前使用的各種工具系統與主軸連接結構，既有各工具廠獨創的設計結構，也有BT、HSK等標準結構，這就給用戶選用工具系統帶來了麻煩。為方便用戶，2004年秋季，來自機床廠、工具廠、工具系統制造廠、用戶和相關大學的專家學者提出了關于工具系統標準化的提案，建議統一采用正在進行國際標準化（ISO）的HSK工具系統結構，并召開了研討會，就其標準化問題交換了意見。


    另一方面，由于刀具伸出工具系統夾頭的懸伸長度增加，熱裝式工具系統的使用隨之增多。熱裝式工具系統是利用金屬材料的熱脹冷縮特性來夾持刀具的工具系統，具有結構簡單、高轉速剛性優良、徑跳精度高、容易接近工件等特點。


    從發展趨勢可以預測，隨著CNC復合切削技術的推廣應用，將對新型切削刀具和工具系統提出要求，通過刀具、工具系統及機床等行業的共同研究開發，必將出現用于CNC復合切削的新型工具系統。


    （2）高速銑削用工具系統

    在立銑加工中，過去主要使用彈簧夾頭式工具系統，其夾緊方式主要有螺母壓入式和拉入式兩類。隨著高速立銑加工技術的普及，加工中心等數控機床的主軸轉速越來越高，亟需與之配套的新型工具系統。為了適應高速銑削的需要，對彈簧夾頭式工具系統的結構、精度和高速性能進行了改進。但從與熱裝式工具系統的比較來看，彈簧夾頭式工具系統在高速旋轉剛性、徑跳精度和靠近工件性能等方面仍需進一步改進與提高。


    從目前市場銷售的幾種具有代表性的工具系統的特性可知，在高速旋轉剛性、徑跳精度和進入切削區性能等方面，熱裝式工具系統具有明顯優勢，因此其應用正在快速增加。2004年秋季，工具系統制造廠對加工中心使用的工具系統進行了調查，結果表明熱裝式工具系統的應用獨占鰲頭，倍受青睞。


    （3）微型刀具高速精密切削用工具系統

    近年來，用直徑φ1mm以下的微型立銑刀進行銑削加工受到人們的關注，超高速精密切削加工中心也隨之誕生。例如，用直徑φ60μm的立銑刀加工邊長100μm、深40μm的正方形凹腔，要求刀具的徑跳精度在幾微米以下，因此要求加工中心、工具系統和加工一體化系統應具有極高的動態剛度及平衡性能。


將立銑刀直接裝夾在加工中心主軸上的夾持方式是確保刀具夾持精度的有效措施，其應用將不斷增多。


    熱裝式工具系統的可靠性

    熱裝式工具系統是將刀柄加熱使其膨脹后插入刀具，然后使其冷卻收縮夾緊刀具。由于加熱—冷卻過程反復循環，是否會引起刀柄金屬組織和硬度發生變化而使工具系統性能下降呢？日本山梨縣工業技術中心和YS電子工業（熱裝式工具系統用加熱設備制造廠）共同對熱裝式工具系統的可靠性進行了測試分析，得出了以下結論：


    ①對熱裝刀柄進行了1700次加熱—冷卻循環試驗，未發現尺寸精度發生變化；


    ②對各試件的斷面組織進行觀測，未發現因加熱—冷卻循環引起的組織變化；在軸向表面有因拔出刀具而引起的磨損痕跡，但無裂紋；


    ③對刀柄斷面硬度的檢測結果表明，在距外表面20μm以下的范圍硬度略有降低（約100HV），但未發現因加熱—冷卻循環次數不同而引起硬度分布的變化；


    ④在完成加熱—冷卻循環試驗后，用壓入試驗機測量了刀柄的夾緊力，即使增加了試驗循環次數，也未發現夾緊發生變化。


    熱裝式工具系統和高頻感應加熱法

    熱裝式工具系統是將夾持刀具部位加熱到約300℃使其膨脹，然后將刀具柄部插入進行冷卻，通過被加熱刀柄的冷卻收縮夾緊刀具，為此需要配備相應的加熱設備。


    現有的熱裝設備有熱風式和感應加熱式兩大類。熱風式價格最低，使用也最多，但缺點是熱效率低、加熱時間長；感應加熱式的加熱時間短，頻率分為50kHz以下和2MHz以上兩類。在歐洲地區，50kHz以下和40kHz以上的感應加熱裝置較為普及。日本市場也有50kHz以下頻率的加熱裝置銷售。同時，日本也在開發1MHz以上的高頻加熱裝置。


    表1不同加熱方式的熱裝設備比較

    加熱方式－價格－適用范圍

    熱風加熱－20~80萬日元－僅適用于φ20以上不銹鋼，不適用于工具鋼

    25kHz感應加熱1H（15kW）－約600萬日元－適用于φ6以上不銹鋼和工具鋼，不適用于φ6以下規格

    高頻感應加熱1H（10kW）－約500萬日元－適用于不銹鋼和工具鋼

    高頻感應加熱1H（1kW）－約200萬日元－適用于φ12及以下不銹鋼和工具鋼，不適用于φ12以上規格

    與熱風加熱式熱裝比較，用1kW感應加熱裝置進行非磁性刀柄熱裝可大幅度縮短加熱時間。用1MHz以上的高頻加熱方式，不僅電能消耗和初次成本低，而且最適合應用于非磁性金屬材料（如不銹鋼和鈦等）的小直徑刀具。該裝置的電源部分能實現小型化設計，在原理上采用了轉換信噪比很低的電路，具有高頻轉換效率高（約98%）、節能、小型化和低噪聲等優點。


    熱裝式換刀的自動化

一般的換刀自動化程序如下：


    (1)用手工作業將刀具裝夾在工具系統上，然后在刀具預調儀上確認刀具切削刃部分的徑跳精度；


    (2)用手工作業將裝夾在工具系統上、經檢測確認精度合格的刀具裝進加工中心等CNC機床的刀庫；


    (3)按照輸入CNC機床的NC程序指令，自動從刀庫取出裝好刀具的工具系統裝在機床主軸上；


    (4)完成切削加工后，刀具按照NC程序指令自動脫離主軸放回刀庫；


    (5)用手工作業將使用過的刀具從刀庫取出放回工具室，并將刀具從工具系統卸下分類保管。


    隨著高速、精密、自動化切削加工的迅速發展，對刀具的徑跳精度、高轉速剛性的要求已達到數微米。為此研究開發了能夠滿足精度和剛性要求的熱裝式刀具自動裝卸（換刀）裝置，這是一種能實現刀具和刀柄自動裝卸及測量的完善系統。系統由包括刀具庫、刀柄庫、刀具和刀柄安裝部件庫以及裝卸刀具和刀柄用的感應加熱裝置組成的單元、傳送單元和CNC控制單元構成。將立銑刀等刀具自動安裝在刀柄上的單元是其核心部分，刀具的插入間隙應控制在幾微米以內。采用吸入壓出技術，在刀柄的刀具插入部位進行局部加熱（高頻感應加熱）后，由空氣將刀具吸入其內，冷卻夾緊，完成加工后刀具則被NC調節桿頂出。NC調節桿具有刀具預調、卸刀時頂出刀具、Z向調整和確認工具系統夾持狀態等多種功能。


    該系統配備了確認刀具和刀柄裝配狀況的非接觸式自動檢測系統，還可以事先校核由NC程序指令指定的適用刀具。利用自動傳輸功能，可將由刀具和刀柄組成的工具系統安裝在加工中心等CNC機床的刀庫上，這樣就能實現長時間穩定自動運轉的高速、高精度切削加工。

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