加长型刀具夹头及其应用

    所选用的刀具夹头是否合适，可能会决定加工出的是合格零件还是废品。经验法则是：对于特定的加工，应尽可能缩短由刀具夹头和刀具组成的工具系统的长度。

    但是，如果被加工零件和零件形貌要求工具系统具有较长的悬伸量，又该如何处理呢？ 加长型刀具夹头经常应用于航空零部件和模具的切削加工，在这两个行业，许多加工都需要采用细长型的刀具夹头。这些夹头使刀具能够到达夹持在机床牌坊上的大型工件，或伸入工件的型腔深处。雄克公司（Schunk Inc.）工具系统产品经理Jeff Keith说，“由于零件形状或夹持的原因，有时你必须用又细又长的夹头才能到达加工区，在这种情况下，通常就需要使用加长型刀具夹头。某些模具的切削加工就是一个很好的例子，你必须将刀具向下伸入型腔深处才能完成加工。”

    在刀具制造商中，对加长型刀具夹头的定义各不相同，对其长度并没有一个规定的标准或限定。一些制造商认为这种夹头的长度应在150mm以上；另一些制造商则将其定义为200mm以上。夹头的最大长度通常为300mm或350mm，但也可能会更长。伊斯卡公司专用工具系统团队成员Mike Gadzinski说，“通常可以用长径比来衡量。当刀具夹头的长度超过其直径的8倍，它就开始变得不同寻常。”

    加工适用性

    加长型刀具夹头可以应用于大多数机床类型和大部分加工方式。Briney工具系统公司销售工程师Justin London介绍说，“加长型刀具夹头可以顺利应用于任何直线切削加工，如钻削、铰削和攻丝。这些加工都是沿着刀具夹头的中心线作单轴直线运动，因此，大部分切削力是轴向力，其作用方向是传入机床主轴。”

    但在铣削和镗削时，情况就变得比较复杂。BIG Kaiser精密工具公司销售与设计副总裁Jack Burley说，“铣削和镗削时，切削力的方向更多地从轴向变为径向，而径向切削力将迫使主轴挠曲变形，从而引起振动。因此，你唯一能做的就是通过降低切削速度和进给量，并采用较小的切削深度，以减小挠曲力矩。”

    一般而言，大悬伸量铣削只适用于金属去除率较低的轻载切削。雄克的Keith说，“重载切削——如大量切除工件材料的大切削用量铣削——非常困难，你必须十分小心，防止刀具过载。”不过，用加长型刀具夹头可以有效地实现摆线铣削。摆线铣削的走刀路径可以改变切削力，使径向力减小，轴向力增大，而这意味着用户可以提高切削用量。”伊斯卡的Gadzinski说，“摆线铣削非常有效，它利用‘径向减薄’切削方式，以一种圆周刀轨高速切除少量工件材料。由于切除的材料量少，因此可以减小加长型刀具夹头的挠曲量。”

    刚性的挑战

    加长型刀具夹头面临的主要挑战是刚性问题。Rego-Fix刀具公司产品工程师David McHenry指出，“刀具夹头从机床主轴前端的伸出量越大，其刚度损失也越大。由于悬伸量的增加，刀具的加工能力会随之下降，刀具无法承受较大的径向切削力、较高的切削速度或较大的切削深度，而且一般来说，你不得不降低进给率。”

    刀具夹头与机床主轴之间牢固的联接可以提高系统刚性。与采用单一锥面接触定位的刀具夹头不同，双面接触刀具夹头采用锥面和底面同时接触定位。BIG Kaiser的Burley说，“这种刚性的提高有助于支撑较长、较重的刀具，并减少因刀具夹头的重量和径跳而造成的各种问题。”

    采用单件整体结构可以为加长型刀具夹头提供尽可能高的刚性和精度。通常，工具夹头是用传统的工具钢（如4340钢）制成。而作为一种替代材料，加长型刀具夹头可以用重金属（如钨）制造。伊斯卡的Gadzinski说，“这种材料的密度更高，能够减小弯曲和振动。但由于重金属可能昂贵得多，因此人们只在确有必要时才会使用这种材料。”

    消除振动

    刀具夹头材料的密度越大，其减振性能就越好。为了在不使用昂贵的重金属夹头的情况下，在长悬伸加工中获得良好的减振效果，Rego-Fix公司在其新开发的Xtended Length加长型刀具夹头（悬伸长度可达355mm）上组合使用了两种不同类型的钢制部件，从而产生了一种能消除共振的“微摩擦阻尼（MFD）”效应。这种MFD减振技术是该公司专门为其加长型刀具夹头而开发的。

    另一种刀具减振技术是山特维克可乐满为其加长型镗杆和铣刀开发的“静音刀具”技术。该公司的机床一体化经理Jim Grimes介绍说，“利用这项技术，设置在工具钢材质的铣刀或镗杆内部的阻尼装置——悬浮在油中的钨棒——能够抵消因刀具悬伸较长而产生的任何振动。该技术使用户用长悬伸刀具加工时仍能保持与使用短柄刀具时相同的切深量、进给量和切削速度。你可能需要做出一些调整，但减振装置可以帮助加长刀具获得与较短刀具相同的切削性能。”

    模块化结构

    BIG Kaiser的Burley指出，“用工具钢制成的整体式加长刀具夹头可能比较笨重。对于长度超过300mm的刀具夹头，如果采用钢制整体结构，就会变得相当沉重。例如，一个用高合金工具钢制成的整体式CAT 50刀具夹头的重量可能会超过30磅。虽然这似乎算不上特别重，但其产生的重量矩（计算方法：工具重量×从测量线到工具重心的距离）却可能会造成问题。虽然许多机床都能承受这一重量，但其自动换刀机械手不一定能承受这样大的重量矩。”

    作为一种可能的解决方案，BIG Kaiser公司提供了一种CKN Connection模块化刀具夹头，用户可以用它组装出自己所需要的长度。夹头中间的连接组件用较轻的铝合金制成，有助于减轻整个夹头的重量。三个紧固螺钉的连接方式提供了足够的刚性和夹紧力。

    其他一些夹头制造商也提供各种模块化加长型刀具夹头，他们认为，这种结构完全可以提供足够的刚性。伊斯卡的Gadzinski说，“我们采用可互换的组件来组装夹头，这些组件可以缩短或延长夹头组合体的总长度，而且不会使其损失太多刚性。”

    除了整体式加长型刀具夹头以外，雄克公司还提供三种型式（液压式、热装式和多边形夹紧式）的加长杆。Keith说，“如果用户已有一个基本夹头（雄克或其他品牌都行），但其悬伸长度太短，而他们又不想再投资购买一个加长型夹头，他们就可以只购买一个加长杆。”

    特别是热装式刀具夹头，已被证明能有效应用于大悬伸量切削加工。Gadzinski说，“对于加长型刀具夹头来说，热装式系统的同心度精度损失要小得多，而且有很高的夹紧强度。其他一些夹紧方式（如液压式夹紧）也能提供良好的夹紧压力，但对于需要体积较小的细长型夹头的用户来说，热装式系统是最佳选择。”

    夹头的平衡

    Gadzinski指出，虽然用户可以购买经过制造商预先平衡的刀具夹头，但对组装后的整个工具系统进行平衡才更有意义。“你必须对组装完成后的刀具组合体进行平衡，因为刀具夹头在没有装夹刀具之前可能是平衡的，但装上刀具之后，其平衡状态可能就会完全改变。”

    通常，工具系统的平衡测量与调整是在专用平衡机上进行。标准型平衡机可以对长夹头（通常可到400mm）进行平衡。对于更长的夹头，则需要采用特殊的平衡机。

    用户必须选择是进行单一平面平衡（静态平衡）还是双平面平衡（动态平衡）。Burley说，“加长型刀具夹头最好是进行动平衡。与静平衡只在单一平面上进行测量不同，动平衡是在两个平面（通常是靠近夹头V形凸缘的平面和最接近刀具末端的平面）上进行测量，也就是说，你是在靠近主轴一侧和靠近刀具一侧同时测量平衡状态。”

    进行高速切削时，对刀具夹头的平衡必不可少。Gadzinski说，“通常，高速切削的主轴转速在8,000r/min以上，而我曾看到一些用加长刀具夹头以10,000 r/min以上的转速进行高速切削的实例。这些加工通常是用直径小于6.35mm的刀具，以极小的切深量切削铝制工件。”

    不过，对高速切削的定义也是见仁见智。一些刀具供应商并不赞成将加长型刀具夹头用于高速切削。Rego-Fix的McHenry认为，“当刀具悬伸量很大时，你确实不应该提高主轴转速。如果刀具断裂或出问题，它就会变成装在主轴上的‘搅蛋器’。”该公司平衡其加长型刀具夹头的转速上限为5,000 r/min。

    山特维克可乐满的Grimes也同意这一观点。他指出，“用加长型刀具夹头进行高速切削的情况并不多见。这种夹头可以适用于常规切削参数，但用于高速切削却很困难。你必须将转速控制在4,000－5,000 r/min的范围以内。”

    越长越好？

    与“刀具越短越好”的流行观念相反，增大刀具夹头的长径比实际上有可能减少振动，并导致铣削加工效率的提高。

    Burley说，“我总是告诉人们，在某些铣削加工中，刀具夹头长一点可能是一件好事。如果将夹头长度增加50mm，你就有了改变切削参数的余地。实际上，你可以因此而提高加工效率，因为你已将加工系统的固有频率调整到了刀具最佳切削参数范围之内。”

    通常，需要通过耗时费力的反复试验，才能确定最佳切削参数。一些企业（如Blue Swarf公司）可以提供振动测量系统，用于监测一个特定的机床工具加工系统现有的共振频率，然后据此确定能使该机床与工具组合振动最小的切削速度和进给量。Briney公司的London指出，“但是，加长夹头并不能使加工系统自动实现效率最大化，它只是为你提供了优化的切削速度和进给量，还需要配合采取其他各种优化加工的措施，才能获得提高产量或效率的最大成果。”

    大悬伸加工的刀具选择

    在为加长型刀具夹头选择刀具时，需要考虑一些因素。伊斯卡的Gadzinski指出，“一般来说，如果你要使用加长型刀具夹头（尤其在铣削加工中），就需要选用切削刃比较锋利、能减小切削压力的刀具。选用刀尖圆弧半径较小的刀具是一种解决办法，这种刀具通常是为小切深铣削加工而设计的。”

    还有一些刀具本身就具有较大的切削范围。那么，用户如何才能确定自己是应该使用加长型刀具夹头配标准刀具，还是应该使用标准刀具夹头配切削范围较大的刀具呢？Gadzinski解释说，“大多数为大长度切削（意味着实际切削范围较大）而设计的刀具通常都只用于粗加工。用户采用分步加工方式可能效果更好。为了快速切除尽可能多的工件材料，用户可以先用切削范围大的刀具进行粗加工，然后返回来用加长型刀具夹头进行精加工。”

    他补充说，“有人首先用长刀具进行粗加工，然后换用较短的刀具和较长的夹头组合进行精加工，这种情况很常见。但这也要取决于加工要求。如果你只需要加工10个零件，只使用一种工具系统可能更省事。但是，作为一种大批量生产的专用加工系统，分别采用两种刀具加工可能是值得的。”