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不同刀柄优缺点解析

日期: 2011-11-17    来源:MM《金属加工》

  如同采用精密刀具对工件进行个性化加工一样,对合适的刀柄的选择也是各有各的独特性。采用8mm整体硬质合金的立铣刀所进行的大量实验可以显示出最流行刀柄的优缺点。

  Fritz Weg公司与Dillenburg职业学校及Giessenfriedberg专科大学合作,对六件刀柄进行详细的监测和审核。在各种不同的测试和铣削试验中,获得了一些意外的结论。为此,从刀具/模具制造的技术性和经济性角度,对这些结论进行了分析。按照DIN 69871 SK40对如下刀柄系统进行了研究:

  • 标准型夹钳卡盘;
  • 高精型夹钳卡盘;
  • Powergrip夹头卡盘;
  • 液压膨胀卡盘;
  • Polygon卡盘;
  • 收缩卡盘。

  各种试验在Bridgeport VMC 600/22/TNC426P立式加工中心上进行。所使用的是两个直径为8mm四刃整体硬质合金铣刀和ISO公差等级为h5的圆柱形刀柄:

  LMT-Fette公司的63mm长DHC Inox 1525C型立铣刀,刀刃长度为19mm,扭转角度为41;

  Seco-Jabro公司的91L080型立铣刀,100mm长,刀刃长度为40mm,扭转角度为30°。

  对于在模具和成型制造中应用的建议

  铣削试验采用两种各出自一批的材料进行。一种材料为C45 W/U(1.1730),另一种为40CrMnMoS8-6(1.2312)。根据对弯曲强度、极限切削深度、同心状态、维持力矩、形位公差和表面质量等所进行的加权分析所得出的结果,可以对刀柄在模具和成型制造上的最佳应用范围作如下建议。

  标准型夹钳卡盘是一种适用于中等质量要求的容易和中等难度切削作业的通用型卡盘。在投入使用整体硬质合金刀具时,相当高的10μm偏心量对刀具使用寿命和刀刃边缘爆裂带来较大的影响(图1)。

图1 刀柄偏转与径向力的关系

  精密夹钳卡盘以其良好的同心度,可以对刀具和心轴支撑元件进行很好的保护。8mm直径的夹具具备了很高的径向刚性和70N·m以上的夹持力矩,因此可以允许刀具达到较大的外探幅度和较大的直径。这是一种费用较低的通用型卡盘。而在模具制造中,由于强化型卡盘本体的外形轮廓比较复杂,因此,需要注意到外形轮廓干涉问题。

  Powergrip强力夹持系统的优势在于它具有很高的夹持力,在其抗振动阻尼特性的配合下,这种系统可以允许达到很大的切削深度(图2)。尤其当刀具外探幅度较大时,采用该夹持系统可以达到很好的制造质量。这种系统(夹持单元大约为6700欧元)的价格比较高,必要的外围设备尤为如此;但是,如果切削作业的难度为中等以上,且在粗加工阶段就对制造质量要求较高的话,那么这种投资也是值得的。其在精加工范围内的可使用性可以视各具体情况再作评判。

图2 夹持直径为6mm时的维持力矩

  通过采用液力介质的张紧方式,液压膨胀卡盘只有在遇到极大的夹持断面时,才会出现颤振现象。但从形位公差角度上说,应该避免大的交互力的影响。液力膨胀卡盘的强项在于在切削深度小和精加工时实现良好的质量(图3)。

图3 粗糙度Rz与铣刀加工的关系

  Polygon卡盘具有良好的径向刚性

  Polygong卡盘是一种免维护的卡盘系统。因为其造型结实、径向刚性好(10N径向载荷时为7μm,3×D),因此可以有效利用延长件对较深的轮廓进行加工。虽然卡盘的同心度令人满意,但是仍会带来额定尺寸上的偏差。在采用中等轴向进刀时,Polygong卡盘的最佳应用领域便是对较深轮廓的加工。其结果是可以达到良好的切削深度和较小的工件尺寸精度公差(图4)。

图4 铣刀的平均尺寸误差

  机械性能不敏感的密闭式收缩夹持系统因其较高的外围设备成本投入(约6600欧元)特别适用于批量生产场合。通过铣刀与刀柄的均匀结合,即使是在采用延长件的情况下,也可实现良好的径向刚性(10N径向载荷时<6μm,3×D)和极好的同圆性。由于系统缺少振动阻尼特性,因此在切削深度不大的情况下,系统就已经显露颤振现象和不良的表面质量系数(图5)。

图5 可实现的无振颤轴向极限切削深度

  对刀具夹持系统的选择最终要依据各种不同的要求来作出。一种刀柄系统的经济性如何,并非取决于投资费用,而是取决于质量要求和用户的使用场合。需要注意的是,刀柄在切削作业中构成了设备与刀具之间的关键性界面。

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