機床商務(wù)網(wǎng)
公司動態(tài)
創(chuàng)力附件分析工具夾頭在質(zhì)量環(huán)節(jié)*的四個要素
閱讀：627 發(fā)布時間：2013-10-12 CNC加工中心在過去的30年間得到了持續(xù)改進(jìn)和發(fā)展。如今這些機床的設(shè)計充分體現(xiàn)了柔性化，通過很小的結(jié)構(gòu)變化，就能夠應(yīng)用于從短期工具制造到長期產(chǎn)品生產(chǎn)的各種加工場合。過去曾采用焊接或鉚接裝配的飛機零部件，現(xiàn)在則可以在高速大功率加工中心上將整塊鋁坯掏空加工而成。汽車發(fā)動機過去幾乎*由的傳送流水線進(jìn)行生產(chǎn)，如今則趨于用加工中心進(jìn)行敏捷制造。這些加工中心都有一個基本特點：能夠自動更換工具而無需操作者干預(yù)。
工具夾頭在各種不同的切削刀具與加工中心主軸之間提供標(biāo)準(zhǔn)連接。它的工作方式與一個可調(diào)整的鉆夾頭類似，就像家庭維修工可以更換手提鉆的鉆頭一樣。加工中心的主軸孔和工具夾頭的柄部及法蘭均按標(biāo)準(zhǔn)制造，這些標(biāo)準(zhǔn)過去25年間在世界范圍內(nèi)得到了發(fā)展。總的來說，這些標(biāo)準(zhǔn)的制定比較完備，只要主軸和工具夾頭都符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，就可以保證它們之間的連接既牢靠又有很高的同心度。
由于工具夾頭采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，也由于它相對于機床主體而言創(chuàng)新發(fā)展較緩慢，因此在一些加工中心用戶中形成了一種揮之不去的印象：工具夾頭似乎是一種“商品”（標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品）。從今天在市場競爭中打拼獲得成功的工具夾頭制造商的數(shù)量來看，也很容易得出這一結(jié)論。但是一些終端用戶并不認(rèn)同“商品”的概念。確實，某種類型的所有工具夾頭看似相像，但肯定不會*相同。
工具夾頭的質(zhì)量差異
是什么原因使一種產(chǎn)品優(yōu)于另一種呢？在大多數(shù)金屬切削加工中，合格零件與廢品之間的區(qū)別常常在于關(guān)鍵尺寸上極微小的差異。同樣，一個高精度工具夾頭的不同之處也取決于所采用的制造公差。
評價指標(biāo)1：同心度
切削刀具的回轉(zhuǎn)軸線必須與機床主軸的回轉(zhuǎn)軸線一致。實現(xiàn)近于的同心度的方法雖然很明確，但也很復(fù)雜。
首先，將工具夾頭的錐柄裝入對應(yīng)的主軸錐孔時，每一次都必須非常。為此，配合表面的錐角公差必須很小。這些公差由國家或標(biāo)準(zhǔn)委員會制定和頒布，一般可供任何人查閱。制造完成的工具夾頭要用量規(guī)檢測其圓度和錐角，而這些量規(guī)則由實物基準(zhǔn)規(guī)來標(biāo)定。生產(chǎn)現(xiàn)場采用的測量方法各不相同，從實物接觸機械式測量、實物接觸/電子模擬量測量到非接觸模擬量測量（如氣動量規(guī)）。所有這些行之有效的方法都有一個共同特點：都要用實物基準(zhǔn)規(guī)來標(biāo)定。
不同工具夾頭制造商的基準(zhǔn)規(guī)之間存在明顯的差異。這一肯定的判斷是基于多年來對不同制造商的工具夾頭產(chǎn)品進(jìn)行成百上千次測量的結(jié)果。簡言之，它們的確不同。即使假定市場銷售的所有工具夾頭均與它們各自對應(yīng)制造商的基準(zhǔn)規(guī)相符，但不同的制造商采用的基準(zhǔn)規(guī)卻并不相同。隨之產(chǎn)生了一個問題：不同制造商的工具夾頭與機床主軸的適配性也不盡相同。其原因很簡單：沒有標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)錐度的“母基準(zhǔn)規(guī)”。雖然位于馬里蘭州的美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所（NIST）和一些高水平計量實驗室（如位于俄亥俄州的Timken公司實驗室）具備了在確定環(huán)境條件下采用具有適配精度的回轉(zhuǎn)工作臺測量錐度的能力，但沒有單一基準(zhǔn)實物量規(guī)能夠方便地檢定其它具有相同尺寸和錐度的實物量規(guī)。可以理解，在沒有單一基準(zhǔn)源或可供所有量規(guī)溯源的基準(zhǔn)規(guī)的情況下，市場上不同廠家的產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定尺寸的符合程度就存在差異，而這些差異將影響與主軸的配合質(zhì)量。下面作進(jìn)一步分析。
現(xiàn)在討論的仍是使工具與主軸中心線同心的問題。即使主軸適配性混亂的問題很快得到解決，問題也會轉(zhuǎn)向工具夾頭的業(yè)務(wù)終端：由于目前還沒有錐度基準(zhǔn)的國家標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)，因此工具夾頭的終端用戶更有理由對產(chǎn)品失去信心。或各國標(biāo)準(zhǔn)化組織（如ISO、ANSI、JIS、DIN等）已對主軸與工具夾頭的錐度適配性和工具更換功能作出了相應(yīng)規(guī)定。但另一方面，切削刀具與工具夾頭的適配性則取決于工具夾頭制造商，他們自行設(shè)定立銑刀夾頭的內(nèi)徑公差、套筒夾頭的錐角公差以及套式銑刀軸的端面垂直度等，他們還自行制定工具夾頭的夾持部與連接機床主軸的錐柄的同心度。這樣，只有工具夾頭制造商能給他們自己的機床配備夾具，以機床主軸的接口面作為參照面，加工出適配的錐柄工作表面。
在結(jié)束關(guān)于同心度的討論之前，還必須考慮一個更具普遍性的變數(shù)——制造商本身是否具有不僅能生產(chǎn)產(chǎn)品，而且能始終如一地長期生產(chǎn)產(chǎn)品的能力。在任何制造業(yè)中，不同制造廠商具備的能日復(fù)一日長期制造高質(zhì)量產(chǎn)品的能力都不盡相同。在你自己的業(yè)務(wù)范圍內(nèi)，你總能列舉出好的和不太好的競爭對手及供應(yīng)商的名字。通常在每個市場中總有一個，而好的制造商都會努力爭取獲得這種地位。
總之，對于工具夾頭的首要質(zhì)量指標(biāo)——同心度而言，*有理由相信，由不同制造商生產(chǎn)的工具夾頭可能因計量檢測、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、公差及制造能力不同而存在質(zhì)量差異。
評價指標(biāo)2：夾持強度
絕大多數(shù)工具夾頭都按照標(biāo)準(zhǔn)制造，具有非常相似的外觀。CAT、BT或HSK系統(tǒng)都是側(cè)面鎖緊式立銑夾頭，可利用一個緊固螺釘頂緊刀具上的一個平面，以防止刀具松動。它們可以使用標(biāo)準(zhǔn)夾套，使夾頭在夾持不同直徑刀具時具有更好的適配性，也可以專門用于夾持螺紋刀具或莫氏錐柄鉆頭，此外還有其它功能。事實上，每個CNC工具夾頭制造商都在努力提供適用于大多數(shù)切削刀具和機床主軸的解決方案。
夾持力是防止刀具在夾頭中轉(zhuǎn)動的能力。使用夾套是引起夾持力變化的主要原因。通常應(yīng)單角夾套，如ER和TG系列產(chǎn)品。單角夾套能施加更大的夾持力，并能保證*的同心度。但像工具夾頭一樣，不同制造商生產(chǎn)的夾套之間也有很大差異。為使由夾頭、夾套和刀具構(gòu)成的組件能獲得盡可能好的同心度，必須采用量具或高精度刀具預(yù)調(diào)儀來測量同心度。為了獲得夾持力與同心度的*組合，應(yīng)采用液壓夾頭或熱縮夾頭，這樣可以*不必使用夾套。
一些制造商仍可提供用于加工場合的重載套筒夾頭和立銑夾頭。但是，除了液壓和熱縮技術(shù)可能有所不同外，大多數(shù)制造商都在復(fù)制彼此的產(chǎn)品系列，因此市場上的工具夾頭產(chǎn)品在外觀上令人吃驚地千篇一律，不同之處僅在于各自采用的制造方式。這就又回到了前面得出的結(jié)論：差異在于制造商的檢測方式、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、公差大小以及——zui重要的——制造能力的不同。總而言之，各種工具夾頭不可能*相同。
評價指標(biāo)3：檢測
這里有一個可說明工具夾頭檢測差異的例子：6年前，COMMANDTOOLINGSYSTEMS公司開始按照HSK標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)工具夾頭，首先購買了所需的量具。獲得量具后經(jīng)過測量比對，發(fā)現(xiàn)不少競爭對手（當(dāng)時大部分為歐洲制造商）生產(chǎn)的HSK工具夾頭與我們從德國獲得的基準(zhǔn)量規(guī)相比變化范圍相當(dāng)大。結(jié)果令人吃驚：所檢測的產(chǎn)品沒有一件位于公差范圍之內(nèi)。為了確保檢測結(jié)果正確，我們又從德國另一家量規(guī)制造商處購買了一個新的基準(zhǔn)量規(guī)。令人吃驚的是，這兩個量規(guī)*一致，區(qū)別僅在于制造方法不同。制造符合HSK標(biāo)準(zhǔn)的工具夾頭畢竟不是在公園里散步，因此應(yīng)該得到更好的檢測結(jié)果。
每一個被加工產(chǎn)品都有公差，主要用于衡量制造變化量的大小——變化越小，公差越緊。因此，上述事例并不否認(rèn)被檢測的夾頭在某種水平上（或?qū)τ谀承┲鬏S）能夠使用。但是，工具夾頭制造商卻無法控制夾頭的終端使用情況。如果提供銷售的夾頭產(chǎn)品就未達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，則夾頭制造商對于夾頭嚴(yán)重偏離標(biāo)準(zhǔn)的情況也無能無力。
評價指標(biāo)4：平衡
如今銷售的越來越多的加工中心配備了設(shè)計zui高轉(zhuǎn)速達(dá)10000rpm或更高的主軸。用于這些機床的刀具不但必須具有很好的同心度和高強度，而且必須與主軸一樣進(jìn)行精細(xì)的平衡，否則將會產(chǎn)生有害的振動而引起震顫，從而降低加工表面光潔度，縮短刀具壽命。在不平衡量很大的情況下，還可能造成主軸損壞。近年來已有不少文獻(xiàn)對工具夾頭的平衡問題進(jìn)行了探討，在此無需重復(fù)。但其中很重要的一點是，因刀具/工具夾頭組合系統(tǒng)不平衡而產(chǎn)生的離心力與主軸轉(zhuǎn)速的平方成正比。如果在轉(zhuǎn)速1000rpm時產(chǎn)生的力可忽略不計的話，轉(zhuǎn)速10000rpm時產(chǎn)生的力則是其100倍，20000rpm時的力則是其400倍。因此，在主軸轉(zhuǎn)速不斷提高的情況下，要求具有*的同心度顯得更為重要，因為如果刀具回轉(zhuǎn)偏離了主軸中心線，它將成為附加不平衡量的一個主要來源。
工具夾頭的不平衡通常來源于功能性設(shè)計，如立銑夾頭中的鎖緊螺釘或CAT夾頭中傳動槽的深度不等。但由于許多原因，不平衡量的產(chǎn)生常常是隨機性的。無論不平衡源于何處，都需要去除一部分材料，以消除不平衡量，起到修正作用。另一種解決辦法是使用可調(diào)平衡刀具夾頭，用戶可通過調(diào)整徑向螺釘或平衡環(huán)來消除不平衡。在此情況下，需要確定工具夾頭不平衡的位置和大小，而這就需要使用復(fù)雜的平衡檢測儀。在某些情況下，車間使用來源可靠的、經(jīng)過預(yù)平衡的工具夾頭，并配套使用高質(zhì)量的切削刀具，與購買和使用動平衡儀相比，這樣性價比更高。
不可忽視工具夾頭
許多事例表明，通過改善主軸適配性、同心度和平衡性能，可以降低加工難度。從事模具制造的GemTool公司通過簡單地將夾套系統(tǒng)由雙角設(shè)計更換為單角的DR20系列，改善了同心度和換刀重復(fù)性，使刀具壽命和加工精度都得到了提高。波音公司在加工復(fù)合材料儀表板時，由于刀具非常小，幾乎不允許有不平衡引起的誤差，因此為轉(zhuǎn)速30000rpm的彈簧夾頭設(shè)計了特殊的突出部，進(jìn)一步提高了夾頭的平衡性和同心度。另一個明尼蘇達(dá)州的制造商用單點金剛石刀片對幾十萬個孔進(jìn)行單點鏜孔加工，孔的公差僅為0.0003in.（0.007mm）。要通過多次自動換刀完成如此高精度的加工操作，主軸的適配精度極其重要。
在上述加工實例中，有些屬于加工條件，有些則不是（如更換夾套系列）。關(guān)鍵在于，如果沒有的主軸適配性、同心度和良好的動平衡，要在這種條件下完成加工實際上是不可能的。而將這些理念應(yīng)用于車間的日常加工中也大有裨益。的主軸適配性可提高批量加工零件的重復(fù)精度，在生產(chǎn)過程中易于保證公差，從而降低加工成本。高的同心度可使刀具每齒切削負(fù)荷均衡，刀具壽命延長，從而減少刀具費用和輔助工時。良好的平衡能充分發(fā)揮機床的加工能力，提高工效，減少工時。
希望降低加工過程可變性的精密制造商應(yīng)認(rèn)真考慮高質(zhì)量工具夾頭的邊際成本差異。良好的工具夾頭能夠在增加生產(chǎn)效率的同時減少刀具費用和輔助工時。