超高转速主轴加工中心主要加工应用

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日本黑田精工株式会社的铃木繁先生于10年前在机械技术杂志上发表了关于高转速加工时工具系统存在问题的文章，当时将加工中心的高转速定义为1万转以上。而现在，主轴转速达3～4万转的机床已作为标准型机床在市场上销售。如果再一次以工具系统作为对象来定义，而高转速的定义保持不变，则主轴转速在3万转以上可以定义为超高转速，其理由是主轴转速在3万转以上时，原有的工具系统就不适用了。具有超高转速主轴的加工中心主要用于加工高硬度材料的小型精密模具。用于小型民用产品、插接件等的高精度模具的制造对技术和技能的要求很高，在激烈的竞争环境下，企业要谋求高附加值，就必须推进高精度化和降低加工成本。
7 ^9 D/ ?4 h$ ?2 u/ X* o　　超高转速主轴的优越性主要体现在能实现高效切削。特别是在模具的精加工中，用直径约φ1mm的立铣刀进行高速铣削，能够省去后续研磨工序，而研磨加工是难以实现自动化的手工作业，是实现模具制造自动化的一大难题。在高速精铣加工中，加工精度可达到2～3μm，要使加工精度达到2μm，则刀尖的跳动精度至少应控制在2μm以下。因此，超高转速切削用工具系统必须满足以下要求：①优良的旋转平衡；②优良的刀柄重复再现性；③优良的刀具装夹重复再现性；④良好的径跳精度。
8 e2 P3 g! ^& q0 a  C9 i5 n6 w( l4 S　　下面分别介绍黑田精工株式会社制造的适用于超高转速高精度切削的工具系统产品。
" C. C0 S3 X/ y1 S) }超高转速切削用热装刀柄
　　铣削加工小型高硬钢精密模具的主流刀具为φ6mm以下的立铣刀，统一使用φ3、φ4和φ6mm三个规格的热装刀柄。这种刀柄构造简单，非常适合超高速铣削。只要采用合理的工艺，就能制造出径跳精度很高的刀柄，且刀柄安装的重复精度极佳。
" J3 `' p; A( @最近开发的高性能电磁感应加热式装刀设备，只需数秒钟即可完成加热，但需要5分钟才能完成强制冷却。此外，在热装操作中稍有疏忽就容易发生烧伤事故。因此从现场安全考虑，希望开发出能满足超高转速使用要求的弹簧夹头。
5 R4 `0 d0 N- Q8 W7 o( S适合超高转速切削的弹簧夹头
　　适合超高转速切削的弹簧夹头必须满足前述的各项要求。为此，黑田精工株式会社进行了以下改进设计，开发了CMG系列产品：①取消了螺母外形部分扳手用的沟槽结构；②使弹簧夹头主体最短化，并尽可能不采用铣削加工；③增加了螺母前后端的防尘密封设计；④开发了专用扳手。
- ?1 q$ z; N/ M6 O9 ~7 B: q! q　　通过以上改进设计，减少了不平衡的可能性；考虑到铣削时靠近工件而不易发生干涉，缩小了螺母外形，并使其兼备适应高效铣削的高刚性；弹簧夹头的径跳精度在标准试棒4d端部处控制在3μm以内；柄部以HSKE32为标准，选择制造HSKE25型柄部。
, {& [5 K$ @& r7 g: f. t! D: A由于取消了夹头螺母上扳手用的沟槽，因此需要使用专用单向超越离合器式扳手。在开发弹簧夹头时，为了保持良好的夹紧性能，以带扭矩限制器的扳手作为开发标准。虽然购买这种扳手价格较高，但为了保证弹簧夹头使用性能良好稳定，价格贵一些也是合算的。经过上述改进的弹簧夹头能在40000r/min转速条件下正常工作。但是，根据机床主轴的质量（粗细），有必要对不平衡进行修正。
径跳精度补偿刀柄
  X- B  q( ^( p9 T　　即使机床主轴、刀柄和刀具都是高精度产品，但将它们组合安装于主轴上后，由于三者径跳量的累积，刀具前端的径跳有时也会达到6μm以上。在这种情况下，如果能将刀具前端的径跳精度调整到1μm以内，对刀尖寿命和已加工面质量的提高都具有显著效果。虽然这种刀柄不是面向超高转速切削，但它适合高精度的铣削加工。
　　黑田精工株式会社开发的径跳精度补偿刀柄的构造特点是在弹簧夹头体的直圆柱部分装有内孔壁中部开了空刀槽的径跳补偿环，当拧紧该补偿环中部的径跳补偿螺钉时，可使夹头体变形成“く字形”并使其端部与中心线同心，其优点是径跳补偿环可在装配的最后装上，当不需要补偿时，可将径跳补偿环卸下后作为普通弹簧夹头使用。使用方法是将装好刀具的弹簧夹头安装在机床主轴上，用径跳测量仪测量刀尖的径跳，如测量刀尖有困难，也可测量刀具柄部前端圆柱的径跳。
) e9 w8 g$ J, Q2 J8 Y& S　　径跳补偿的具体方法是：首先找出径跳最大负值的旋转位置，然后将补偿环转到该位置使其对准径跳补偿螺钉，一边观察径跳测量仪显示的径跳值，一边调整径跳补偿螺钉的拧紧程度，使刀尖靠向正值一侧，即可将径跳精度补偿至1μm左右。这一过程并不复杂，即使是初次操作，也能很容易地完成补偿。
7 O; I% h% z9 L8 u8 L　　由于径跳精度补偿刀柄是使刀柄产生弹性变形来修正刀尖位置，以提高径跳精度，因此在径跳精度补偿后刀具平衡将被破坏。为确定其影响，分别检测了径跳精度补偿前后回转中心的径跳变化。测试中使用超级BT刀柄（新型两面定位夹紧BT刀柄）BTS40-CMA13-105HH，用弹簧夹头夹持φ12.5标准试棒，检测悬伸量82mm处的利萨如波形。由于普通弹簧夹头径跳很小，因此专门准备了精度较差、径跳值相对较大的弹簧夹头。测试时，缓慢地提高转速，观察50r/min时和10000r/min时径跳值的变化，结果在径跳精度补偿前增加了9.6μm，在径跳精度补偿后增加了3.3μm。由于标准试棒较粗且悬伸长度大，因此对其进行径跳精度补偿所引起的重心移动量比弹簧夹头大。通过改变旋转速度，可观察到机床主轴径跳的微妙变化过程。由此可知，在超高转速条件下，不仅对静态径跳精度的评价很重要，对动态径跳精度的分析也不可忽视。
　　近来，在微型球头立铣刀产品中，开发了刀尖半径小于0.05mm的硬质合金立铣刀和CBN整体式立铣刀等微型刀具，用这些产品以合理的切削速度进行加工时，要求进一步提高转速和回转精度，因此对工具系统使用条件的要求将越来越苛刻，今后仍需进一步推进满足市场需求的研究开发。
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