CNC复合高速微细自动化切削用工具系统

　　近年来，CNC多轴控制复合切削、高速切削、微细形状精密切削以及超精切削技术的发展及应用引人注目。同时，与此相适应的工具系统技术也有了显著进步，其特点是：在CNC多轴控制复合切削、高速切削和高精度切削中，当刀具悬伸量很大时仍具有很高的刚性及稳定性；在结构设计上，主轴、刀柄和刀具采用一体化设计，将系统构件减至最少，并使其具有优良的高速旋转特性。


    工具系统发展的最新动向

    （1）CNC复合切削用工具系统

    所谓CNC复合切削，是指综合应用功能各异的铣刀、钻头等旋转刀具以及车刀等固定刀具完成多种切削任务。为此，使用的工具系统必须是多功能化的。采用CNC复合切削技术及相应工具系统加工模具零件时，过去要用多道工序才能完成加工，现在只用一道工序就能完成包括深孔在内的全部加工作业，从而大大简化了工序，提高了加工质量。CNC复合切削用工具系统新产品包括两类产品，一类是用于旋转刀具的工具系统；另一类是用于非旋转刀具的工具系统，其与主轴的连接结构与旋转刀具用工具系统相同。


    目前使用的各种工具系统与主轴连接结构，既有各工具厂独创的设计结构，也有BT、HSK等标准结构，这就给用户选用工具系统带来了麻烦。为方便用户，2004年秋季，来自机床厂、工具厂、工具系统制造厂、用户和相关大学的专家学者提出了关于工具系统标准化的提案，建议统一采用正在进行国际标准化（ISO）的HSK工具系统结构，并召开了研讨会，就其标准化问题交换了意见。


    另一方面，由于刀具伸出工具系统夹头的悬伸长度增加，热装式工具系统的使用随之增多。热装式工具系统是利用金属材料的热胀冷缩特性来夹持刀具的工具系统，具有结构简单、高转速刚性优良、径跳精度高、容易接近工件等特点。


    从发展趋势可以预测，随着CNC复合切削技术的推广应用，将对新型切削刀具和工具系统提出要求，通过刀具、工具系统及机床等行业的共同研究开发，必将出现用于CNC复合切削的新型工具系统。


    （2）高速铣削用工具系统

    在立铣加工中，过去主要使用弹簧夹头式工具系统，其夹紧方式主要有螺母压入式和拉入式两类。随着高速立铣加工技术的普及，加工中心等数控机床的主轴转速越来越高，亟需与之配套的新型工具系统。为了适应高速铣削的需要，对弹簧夹头式工具系统的结构、精度和高速性能进行了改进。但从与热装式工具系统的比较来看，弹簧夹头式工具系统在高速旋转刚性、径跳精度和靠近工件性能等方面仍需进一步改进与提高。


    从目前市场销售的几种具有代表性的工具系统的特性可知，在高速旋转刚性、径跳精度和进入切削区性能等方面，热装式工具系统具有明显优势，因此其应用正在快速增加。2004年秋季，工具系统制造厂对加工中心使用的工具系统进行了调查，结果表明热装式工具系统的应用独占鳌头，倍受青睐。


    （3）微型刀具高速精密切削用工具系统

    近年来，用直径φ1mm以下的微型立铣刀进行铣削加工受到人们的关注，超高速精密切削加工中心也随之诞生。例如，用直径φ60μm的立铣刀加工边长100μm、深40μm的正方形凹腔，要求刀具的径跳精度在几微米以下，因此要求加工中心、工具系统和加工一体化系统应具有极高的动态刚度及平衡性能。


将立铣刀直接装夹在加工中心主轴上的夹持方式是确保刀具夹持精度的有效措施，其应用将不断增多。


    热装式工具系统的可靠性

    热装式工具系统是将刀柄加热使其膨胀后插入刀具，然后使其冷却收缩夹紧刀具。由于加热—冷却过程反复循环，是否会引起刀柄金属组织和硬度发生变化而使工具系统性能下降呢？日本山梨县工业技术中心和YS电子工业（热装式工具系统用加热设备制造厂）共同对热装式工具系统的可靠性进行了测试分析，得出了以下结论：


    ①对热装刀柄进行了1700次加热—冷却循环试验，未发现尺寸精度发生变化；


    ②对各试件的断面组织进行观测，未发现因加热—冷却循环引起的组织变化；在轴向表面有因拔出刀具而引起的磨损痕迹，但无裂纹；


    ③对刀柄断面硬度的检测结果表明，在距外表面20μm以下的范围硬度略有降低（约100HV），但未发现因加热—冷却循环次数不同而引起硬度分布的变化；


    ④在完成加热—冷却循环试验后，用压入试验机测量了刀柄的夹紧力，即使增加了试验循环次数，也未发现夹紧发生变化。


    热装式工具系统和高频感应加热法

    热装式工具系统是将夹持刀具部位加热到约300℃使其膨胀，然后将刀具柄部插入进行冷却，通过被加热刀柄的冷却收缩夹紧刀具，为此需要配备相应的加热设备。


    现有的热装设备有热风式和感应加热式两大类。热风式价格最低，使用也最多，但缺点是热效率低、加热时间长；感应加热式的加热时间短，频率分为50kHz以下和2MHz以上两类。在欧洲地区，50kHz以下和40kHz以上的感应加热装置较为普及。日本市场也有50kHz以下频率的加热装置销售。同时，日本也在开发1MHz以上的高频加热装置。


    表1不同加热方式的热装设备比较

    加热方式－价格－适用范围

    热风加热－20~80万日元－仅适用于φ20以上不锈钢，不适用于工具钢

    25kHz感应加热1H（15kW）－约600万日元－适用于φ6以上不锈钢和工具钢，不适用于φ6以下规格

    高频感应加热1H（10kW）－约500万日元－适用于不锈钢和工具钢

    高频感应加热1H（1kW）－约200万日元－适用于φ12及以下不锈钢和工具钢，不适用于φ12以上规格

    与热风加热式热装比较，用1kW感应加热装置进行非磁性刀柄热装可大幅度缩短加热时间。用1MHz以上的高频加热方式，不仅电能消耗和初次成本低，而且最适合应用于非磁性金属材料（如不锈钢和钛等）的小直径刀具。该装置的电源部分能实现小型化设计，在原理上采用了转换信噪比很低的电路，具有高频转换效率高（约98%）、节能、小型化和低噪声等优点。


    热装式换刀的自动化

一般的换刀自动化程序如下：


    (1)用手工作业将刀具装夹在工具系统上，然后在刀具预调仪上确认刀具切削刃部分的径跳精度；


    (2)用手工作业将装夹在工具系统上、经检测确认精度合格的刀具装进加工中心等CNC机床的刀库；


    (3)按照输入CNC机床的NC程序指令，自动从刀库取出装好刀具的工具系统装在机床主轴上；


    (4)完成切削加工后，刀具按照NC程序指令自动脱离主轴放回刀库；


    (5)用手工作业将使用过的刀具从刀库取出放回工具室，并将刀具从工具系统卸下分类保管。


    随着高速、精密、自动化切削加工的迅速发展，对刀具的径跳精度、高转速刚性的要求已达到数微米。为此研究开发了能够满足精度和刚性要求的热装式刀具自动装卸（换刀）装置，这是一种能实现刀具和刀柄自动装卸及测量的完善系统。系统由包括刀具库、刀柄库、刀具和刀柄安装部件库以及装卸刀具和刀柄用的感应加热装置组成的单元、传送单元和CNC控制单元构成。将立铣刀等刀具自动安装在刀柄上的单元是其核心部分，刀具的插入间隙应控制在几微米以内。采用吸入压出技术，在刀柄的刀具插入部位进行局部加热（高频感应加热）后，由空气将刀具吸入其内，冷却夹紧，完成加工后刀具则被NC调节杆顶出。NC调节杆具有刀具预调、卸刀时顶出刀具、Z向调整和确认工具系统夹持状态等多种功能。


    该系统配备了确认刀具和刀柄装配状况的非接触式自动检测系统，还可以事先校核由NC程序指令指定的适用刀具。利用自动传输功能，可将由刀具和刀柄组成的工具系统安装在加工中心等CNC机床的刀库上，这样就能实现长时间稳定自动运转的高速、高精度切削加工。

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