選擇具有最好同心度和最大剛度以及最小振擺的刀具夾持器時(shí)，對(duì)加工工序?qū)a(chǎn)生很大的好處：刀具壽命幾乎增加1倍 ，節(jié)約刀具成本和減少?gòu)U品。好的同心度和平衡也意味著切削載荷是均衡地分布在切削刃上的，從而允許更高的切削速度和進(jìn)給率，這就意味著更高的生產(chǎn)率，更高的金屬去除率和更快的對(duì)機(jī)床投資的回收。

對(duì)大多數(shù)金屬加工的應(yīng)用而言，彈簧夾頭仍然是可靠的解決辦法。然而彈簧夾頭的振擺、夾持力和平衡能力不都是良好的，那么對(duì)真正的高精加工有多種選擇，包括收縮配合、液壓的和液壓機(jī)械的夾頭。對(duì)于你的應(yīng)用，選擇正確的型式，可能是改善加工工序的一條可行的路子。

高精加工刀具夾持技術(shù)分類

1. 液壓機(jī)械夾頭

該系統(tǒng)用液壓去驅(qū)動(dòng)夾頭的機(jī)械 。一旦驅(qū)動(dòng)以后，在夾頭中就不再有液體壓力了。液體壓力只是用來支持外套筒圍繞內(nèi)套筒轉(zhuǎn)，該內(nèi)套筒就是夾頭孔，外套筒沿著夾頭內(nèi)2°錐面滑動(dòng)，所以它滑過整個(gè)內(nèi)套筒，從而引起內(nèi)套筒去壓縮刀柄的圓周。這種夾頭具有很厚的壁，使得它可以用于粗銑加工，這對(duì)液壓夾頭而言，可能是一個(gè)剛度的挑戰(zhàn) ，因?yàn)橐簤簥A頭有相對(duì)薄的壁，它被液壓流體包圍住，剛度相對(duì)低些。用戶插裝刀具是通過一只手或氣動(dòng)泵連接到夾頭上的兩個(gè)氣門上來實(shí)現(xiàn)的。

每個(gè)夾頭上有兩個(gè)相互為180°對(duì)置的氣門。使用者把在泵上的閥置于“夾緊”的位置上，插入刀具并開始打氣。實(shí)際上可以用一只手把刀具裝在Z軸上，同時(shí)用另一只手打氣。該系統(tǒng)在45kN的壓力時(shí)動(dòng)作。達(dá)到這個(gè)壓力時(shí)，使用者可以停止打氣，把閥放回到中間“0 ”位上并對(duì)夾頭卸荷，這時(shí)在刀柄上有42MPa的夾持壓力。該系統(tǒng)具有可與液壓及收縮配合的刀具夾持器相比的同心度和夾持力。在距端面約3倍于孔徑處的TIR小于0.0025mm 。而且夾緊力是均勻地分布在整個(gè)刀柄的周圍。該系統(tǒng)屬于低維護(hù)系統(tǒng)。夾頭沒有磨損件，唯一要求是保持孔的清潔。唯一可能要求維護(hù)的是在氣泵操作手把上的噴嘴?，F(xiàn)在正在用復(fù)合材料來制造噴嘴，以便當(dāng)使用者擰得過緊時(shí)，不至于損壞夾頭上的氣門。更換操作手把上的噴嘴要比重做一個(gè)夾頭要便宜和容易得多 。

2. 液壓刀具夾持器

液壓刀具夾持器能保證剛度和自然平衡，而且它直接沿著自己的中心線夾持刀柄。就它們的本性而言，液壓夾頭將夾持刀具的整個(gè)直徑和長(zhǎng)度，而且形成一根在具體刀具上它所能找到的軸線。液壓夾持器依靠夾持器金屬壁在液體壓力下均勻地壓縮。它們以相對(duì)薄的收縮內(nèi)套筒去夾緊刀具為特點(diǎn) 。為了使夾持器夾緊，操作者插入刀具并用Allen板手轉(zhuǎn)動(dòng)操縱螺桿。轉(zhuǎn)動(dòng)的螺桿使活塞移動(dòng)，迫使液壓流體進(jìn)入夾持器本身和內(nèi)部套筒之間的空隙中，由于轉(zhuǎn)動(dòng)的螺桿所產(chǎn)生的液體壓力是預(yù)先設(shè)定的?？梢赃_(dá)到的夾緊壓力為21MPa或更大。

液壓刀具夾持器可以減少任何轉(zhuǎn)速上的振動(dòng)，因?yàn)閵A持器的油腔提供天然的阻尼。預(yù)先設(shè)定刀具也很簡(jiǎn)單。下調(diào)刀具并調(diào)整調(diào)節(jié)螺桿向上或向下 ，直至它達(dá)到適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度。然后轉(zhuǎn)動(dòng)操縱螺桿以?shī)A緊刀具。相對(duì)薄的內(nèi)套筒可以使液壓刀具夾持器保證360°夾緊刀柄。但是，這樣的套筒可能也限制夾持器在輕銑和鉆削工序上的應(yīng)用。鉆削時(shí)，液壓的或收縮配合的夾持器都能滿足使用。如果是銑削，那最好用收縮配合的夾持器，因?yàn)樗哂休^高的動(dòng)態(tài)剛度。在鉆削的情況下，橫向載荷低，要傳遞的是軸向推力和扭矩，而液壓夾持器做這個(gè)是完全勝任的。在銑削中，你必定遇到彎曲的邊緣載荷，液壓夾持器在其油腔內(nèi)具有很大的柔性和某些順從性。內(nèi)部套筒也可能被采用帶有諸如Weldon刀柄的刀具所損壞。夾緊系統(tǒng)的靈敏度和記憶性要求使用圓柱形的切削刀具。由非圓柱形刀柄所引起的彈性套筒的不適當(dāng)或不均勻的變形可能使它在夾頭連續(xù)使用之后很難再裝載切削刀具 。

雄克公司設(shè)計(jì)了一種名為TRIBOS的刀具夾持器如圖4所示，具有兩種基本形式，圖4a為一刀具加長(zhǎng)桿 ，用它夾持刀具可以起到延長(zhǎng)刀具的作用，但必須與一刀具夾頭聯(lián)合使用；圖4b則為一完整的刀具夾頭，它既可夾持刀具又可直接與機(jī)床主軸聯(lián)接。TRIBOS刀具夾持器的特點(diǎn)在于，其夾持部位的外徑可以最大限度地減小到所希望的尺寸。例如夾持直徑為6mm的TRIBOS刀具夾持器，其夾持部外徑僅為10mm，在特殊情況下可以做得更小。

TRIBOS刀具夾持器的工作原理如圖5所示。其夾持孔具有特殊的幾何形狀 (圖5a)，在原始形狀下，刀具是無法插入夾持孔內(nèi)的 。為了將刀具裝入夾持孔。必須使用一特制加載器給夾持段從外部施加壓力，使夾持孔變形成為圓形(圖5b )，于是刀具柄部可以順利地插入夾持孔內(nèi)(圖5c)。當(dāng)撤去外部載荷后，夾持孔試圖恢復(fù)其彈性變形，但受到已位于其中的刀具阻礙，于是刀具被強(qiáng)大的彈性回復(fù)力所夾緊 (圖5d)。根據(jù)同樣的原理，可將被夾緊的刀具重新取出。使用這種方法安裝和拆卸刀具都很便利，整個(gè)操作過程可以在短短的幾十秒鐘內(nèi)完成。由于TRIBOS的夾緊運(yùn)動(dòng)具有軸對(duì)稱的特點(diǎn)，所以具有極高的夾持回轉(zhuǎn)精度 (≤3m)。這種刀具夾持器同樣也非常適用于高速加工 。

3. 收縮配合的刀具夾持

收縮配合的刀具夾持是近年已經(jīng)談?wù)摰煤芏嗟募夹g(shù)，而且具有很好的理由：該系統(tǒng)比起其他任何技術(shù)更接近于提供集成刀柄的刀具。這就導(dǎo)致很低的振擺和很高的夾緊力，一個(gè)既可以改善加工精度和工件表面質(zhì)量，同時(shí)還有助于延長(zhǎng)刀具壽命的組合系統(tǒng)采用與裝配過程用的過盈配合相同的原理。夾持器采用電感應(yīng)加熱，或其他方法加熱。當(dāng)它達(dá)到315~425℃時(shí)，有意做小的夾持器內(nèi)徑擴(kuò)大，足以允許刀具插入。當(dāng)夾持器冷卻時(shí)，它便以很大的力同心地夾緊刀具 。

圖6的熱收縮刀柄裝夾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是德國(guó)OT-TOBILZ 公司在近幾年中研制與開發(fā)，它保存了熱收縮夾頭刀具系統(tǒng)振擺精度高、夾緊力大、適應(yīng)高速切削的優(yōu)點(diǎn)。改善了以往熱收縮刀柄裝夾系統(tǒng)存在的安裝與操作費(fèi)力，在加熱過程中易引起刀柄出現(xiàn)熱疲勞和熱變形等缺點(diǎn)。

由圖6可知，裝夾系統(tǒng)在前后端都配有特殊的冷卻套，在刀具安裝過程中可以有效地促使環(huán)形襯套迅速收縮。夾頭可用硬質(zhì)合金或高速鋼或40Cr等材料制作，使之與高速銑刀材料的熱膨脹系數(shù)相近。在高速銑刀安裝時(shí)，利用局部加熱方式，使整個(gè)刀具系統(tǒng)受加熱過程的影響較少，熱變形小。局部加熱方式可實(shí)現(xiàn)操作時(shí)間短，使加熱操作更為安全。此外，刀具安裝時(shí)的加熱溫度為中溫加熱，遠(yuǎn)低于引起刀柄材質(zhì)內(nèi)部組織變化的溫度，使熱收縮夾頭刀柄裝夾系統(tǒng)的熱變形小。由于采用過盈式裝夾，這種裝夾方式可保證夾頭重復(fù)使用中具有高的裝夾精度，并保證刀具長(zhǎng)度在熱裝后可進(jìn)行調(diào)整。圖6的熱收縮夾頭刀柄裝夾系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速范圍為15000～50000r/min。

熱收縮刀柄裝夾系統(tǒng)在高速切削過程中要求夾頭和刀具至始至終都要保持過盈合。銑刀和刀柄接觸壓力的大小和變化決定過盈配合狀態(tài)的好壞。圖7是刀柄孔徑接觸壓力的變化曲線分布圖，過盈量在2～10μm范圍時(shí)，過盈量越大接觸壓力越大，夾緊力則越大。最大接觸壓力和突變都發(fā)生在銑刀的頭部或刀柄的內(nèi)孔里端，這主要是受集中載荷力作用的結(jié)果。

圖8是孔徑的徑向位移量變化曲線圖，載荷范圍是50～300N。由圖中可知當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，熱收縮刀柄的內(nèi)孔孔徑會(huì)向外發(fā)生膨脹，即徑向位移。內(nèi)孔孔徑的膨脹量隨負(fù)載增加而增加，徑向位移量也隨之增大，夾緊力則隨著徑向位移量的增大而減小。徑向位移量的大小則隨著安裝時(shí)過盈量的大小而變化，過盈量越大，徑向位移量則減少。在切削過程中隨著外載的增加，過盈量處在6～8μm之間時(shí)，內(nèi)孔孔徑的徑向位移量的變化速率較慢。

結(jié) 語

高速切削加工工藝為現(xiàn)代模具制造提供了高效加工手段。但要充分發(fā)揮現(xiàn)代高速切削機(jī)床的加工能力，尚需充分重視機(jī)床附件的正確選擇與應(yīng)用。在此，刀具夾緊系統(tǒng)——連接刀具和機(jī)床主軸的關(guān)鍵環(huán)節(jié)即是一個(gè)不可忽視的重要因素。