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今日干货 | 工具夹头的四个质量要素

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CNC加工中心在过去的30年间得到了持续改进和发展。如今这些机床的设计充分体现了柔性化,通过很小的结构变化,就能够应用于从短期工具制造到长期产品生产的各种加工场合……

CNC加工中心在过去的30年间得到了持续改进和发展。如今这些机床的设计充分体现了柔性化,通过很小的结构变化,就能够应用于从短期工具制造到长期产品生产的各种加工场合。过去曾采用焊接或铆接装配的飞机零部件,现在则可以在高速大功率加工中心上将整块铝坯掏空加工而成。汽车发动机过去几乎完全由专用的传送流水线进行生产,如今则趋于用加工中心进行敏捷制造。这些加工中心都有一个基本特点:能够自动更换工具而无需操作者干预。

工具夹头在各种不同的切削刀具与加工中心主轴之间提供标准连接。它的工作方式与一个可调整的钻夹头类似,就像家庭维修工可以更换手提钻的钻头一样。加工中心的主轴孔和工具夹头的柄部及法兰均按标准制造,这些标准过去25年间在世界范围内得到了发展。总的来说,这些标准的制定比较完备,只要主轴和工具夹头都符合标准规定,就可以保证它们之间的连接既牢靠又有很高的同心度。

由于工具夹头采用标准结构,也由于它相对于机床主体而言创新发展较缓慢,因此在一些加工中心用户中形成了一种挥之不去的印象:工具夹头似乎是一种“商品”(标准化产品)。从今天在市场竞争中打拼获得成功的工具夹头制造商的数量来看,也很容易得出这一结论。但是一些终端用户并不认同“商品”的概念。确实,某种类型的所有工具夹头看似相像,但肯定不会完全相同。

工具夹头的质量差异

是什么原因使一种产品优于另一种呢?在大多数金属切削加工中,合格零件与废品之间的区别常常在于关键尺寸上极微小的差异。同样,一个高精度工具夹头的不同之处也取决于所采用的制造公差。

评价指标1:同心度

切削刀具的回转轴线必须与机床主轴的回转轴线精确一致。实现近于完美的同心度的方法虽然很明确,但也很复杂。

首先,将工具夹头的锥柄装入对应的主轴锥孔时,每一次都必须非常精确。为此,配合表面的锥角公差必须很小。这些公差由国家或国际标准委员会制定和颁布,一般可供任何人查阅。制造完成的工具夹头要用量规检测其圆度和锥角,而这些量规则由实物基准规来标定。生产现场采用的测量方法各不相同,从实物接触机械式测量、实物接触/电子模拟量测量到非接触模拟量测量(如气动量规)。所有这些行之有效的方法都有一个共同特点:都要用实物基准规来标定。

不同工具夹头制造商的基准规之间存在明显的差异。这一肯定的判断是基于多年来对不同制造商的工具夹头产品进行成百上千次测量的结果。简言之,它们的确不同。即使假定市场销售的所有工具夹头均与它们各自对应制造商的基准规相符,但不同的制造商采用的基准规却并不相同。随之产生了一个问题:不同制造商的工具夹头与机床主轴的适配性也不尽相同。其原因很简单:没有标定标准锥度的“母基准规”。虽然位于马里兰州的美国国家标准和技术研究所(NIST)和一些高水平计量实验室(如位于俄亥俄州的Timken公司实验室)具备了在确定环境条件下采用具有适配精度的回转工作台测量锥度的能力,但没有单一基准实物量规能够方便地检定其它具有相同尺寸和锥度的实物量规。可以理解,在没有单一基准源或可供所有量规溯源的基准规的情况下,市场上不同厂家的产品与标准规定尺寸的符合程度就存在差异,而这些差异将影响与主轴的配合质量。下面作进一步分析。

现在讨论的仍是使工具与主轴中心线同心的问题。即使主轴适配性混乱的问题很快得到解决,问题也会转向工具夹头的业务终端:由于目前还没有锥度基准的国家标准或国际标准,因此工具夹头的终端用户更有理由对产品失去信心。国际或各国标准化组织(如ISO、ANSI、JIS、DIN等)已对主轴与工具夹头的锥度适配性和工具更换功能作出了相应规定。但另一方面,切削刀具与工具夹头的适配性则取决于工具夹头制造商,他们自行设定立铣刀夹头的内径公差、套筒夹头的锥角公差以及套式铣刀轴的端面垂直度等,他们还自行制定工具夹头的夹持部与连接机床主轴的锥柄的同心度。这样,只有工具夹头制造商能给他们自己的机床配备专用夹具,以机床主轴的接口面作为参照面,加工出适配的锥柄工作表面。

在结束关于同心度的讨论之前,还必须考虑一个更具普遍性的变数

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比心心❤

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