数控机床刀柄系统的选择

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工具系统的选择是数控机床配置中的重要内容之一，因为工具系统不仅影响数控机床的生产效率，而且直接影响零件的加工质量。根据数控机床(或加工中心)的性能与数控加工工艺的特点优化刀具与刀柄系统，可以取得事半功倍的效果。
1 数控机床常用刀柄的分类
与普通加工方法相比，数控加工对刀具的刚度、精度、耐用度及动平衡性能等方面要求更为严格。刀具的选择要注重工件的结构与工艺性分析，结合数控机床的加工能力、工件材料及工序内容等因素综合考虑。
% F0 ]- D$ M* {/ _数控加工常用刀柄主要分为钻孔刀具刀柄、镗孔刀具刀柄、铣刀类刀柄、螺纹刀具刀柄和直柄刀具类刀柄(立铣刀刀柄和弹簧夹头刀柄)。
/ ]/ _: Q1 H% x  Q' ~4 ~3 l) j2 数控机床常用刀柄的选择
刀柄结构形式
数控机床刀具刀柄的结构形式分为整体式与模块式两种。整体式刀柄其装夹刀具的工作部分与它在机床上安装定位用的柄部是一体的。这种刀柄对机床与零件的变换适应能力较差。为适应零件与机床的变换，用户必须储备各种规格的刀柄，因此刀柄的利用率较低。模块式刀具系统是一种较先进的刀具系统，其每把刀柄都可通过各种系列化的模块组装而成。针对不同的加工零件和使用机床，采取不同的组装方案，可获得多种刀柄系列，从而提高刀柄的适应能力和利用率。
刀柄结构形式的选择应兼顾技术先进与经济合理：①对一些长期反复使用、不需要拼装的简单刀具以配备整体式刀柄为宜，使工具刚性好，价格便宜(如加工零件外轮廓用的立铣刀刀柄、弹簧夹头刀柄及钻夹头刀柄等)；②在加工孔径、孔深经常变化的多品种、小批量零件时，宜选用模块式刀柄，以取代大量整体式镗刀柄，降低加工成本；③对数控机床较多尤其是机床主轴端部、换刀机械手各不相同时，宜选用模块式刀柄。由于各机床所用的中间模块(接杆)和工作模块(装刀模块)都可通用，可大大减少设备投资，提高工具利用率。
9 R' f% o- ?2 L# `5 y刀柄规格
# X: c% o7 t/ W+ u* e. }: v数控刀具刀柄多数采用7：24圆锥工具刀柄，并采用相应型式的拉钉拉紧结构与机床主轴相配合。刀柄有各种规格，常用的有40号、45号和50号。目前在我国应用较为广泛的有ISO7388-1983、GB10944-1989、MAS403-1982、ANSI/ASME B5.50-1985等，选择时应考虑刀柄规格与机床主轴、机械手相适应。
刀柄的规格数量
整体式的TSG 工具系统包括20种刀柄，其规格数量多达数百种，用户可根据所加工的典型零件的数控加工工艺来选取刀柄的品种规格，既可满足加工要求又不致造成积压。考虑到数控机床工作的同时还有一定数量的刀柄处于预调或刀具修磨中，因此通常刀柄的配置数量是所需刀柄的2 ～ 3倍。
4 U' m4 m* y  ~  I刀具与刀柄的配套
  R# m- T- U6 `) H- `( [$ Y关注刀柄与刀具的匹配，尤其是在选用攻螺纹刀柄时，要注意配用的丝锥传动方头尺寸。此外，数控机床上选用单刃镗孔刀具可避免退刀时划伤工件，但应注意刀尖相对于刀柄上键槽的位置方向：有的机床要求与键槽方位一致，而有的机床则要求与键槽方位垂直。
$ c& e, f& I# y$ I& W选用高效和复合刀柄
1 G4 R( n7 K. f- h* ]9 V! x为提高加工效率，应尽可能选用高效率的刀具和刀柄。如粗镗孔可选用双刃镗刀刀柄，既可提高加工效率，又有利于减少切削振动；选用强力弹簧夹头不仅可以夹持直柄刀具，也可通过接杆夹持带孔刀具等。对于批量大、加工复杂的典型工件，应尽可能选用复合刀具。尽管复合刀具与刀柄价格较为昂贵，但在加工中心上采用复合刀具加工，可把多道工序合并成一道工序、由一把刀具完成，有利于减少加工时间和换刀次数，显著提高生产效率。对于一些特殊零件还可考虑采用专门设计的复合刀柄。
强化工具系统管理工作
随着数控机床数量增加，刀柄的数量会急剧增多。一套拥有5～8台数控机床的柔性制造系统，刀柄数量可达1000把以上。
( {2 }! B/ k# E/ p如何使这些刀具得到合理有效的利用，是刀具管理的重点工作。其内容包括：刀柄采购或补充计划的提出；刀具数据的预调；刀具的调度与保管；刀具寿命情况判断与控制等。
3 数控机床刀柄的发展
特殊功能的刀柄
+ p+ |2 y7 h" }1 l近年来，加工中心上出现了一些特殊功能的刀柄，主要有以下类型。
增速刀柄(增速头)：能实现自动换刀。如日本NIKKEN 公司的NXSE增速头，在机床主轴速度为4000r/min时，刀具可在0.8s内转速达到20000r/min。
" {) q, W6 h4 v/ n( r4 T& Y多轴刀柄：它能同时加工多个孔，相当于多轴加工头。多轴与增速刀柄组合使用可构成双功能的多轴增速刀柄。
' K$ h( E. i3 a3 ]: I1 ]0 y内冷却刀柄：该刀柄与芯部开有冷却液通道的麻花钻或深孔钻配合使用，利用特殊的供油系统，将高压切削液喷注到切削部位，实现良好的冷却与润滑，并排除切屑。
8 D2 o4 ^- I! k) E转角刀柄：这种刀柄的头部可作30º、45º、60º、90º等角度旋转，具有五面加工功能。安装在立式加工中心上，可使立式加工中心具有卧式加工中心的功能，可用于深型腔的底部清角作业。
* |3 R! @! I( l. w3 h: M' s- d新型高速切削刀柄
随着数控机床高精度高速切削技术的发展，适应高速切削的刀柄系统好得到研制与开发。如德国OTT公司的HSK刀柄和美国Kenamental 公司的KM刀柄等，其轴向定位精度可达0 .001mm，且在高速旋转下，刀夹锁紧更为牢固，径向跳动不超过5μm。HSK刀柄是一种典型的1:10短锥面、锥柄和主轴端面同时接触的双定位型空心刀柄，其主要特点为：
: [& z0 e0 O9 J; I) w% d" g, j采用锥面、端面过定位的结合形式，能有效地提高工 具系统的连接刚度，且重复定位精度高；
采用空心结构和缩短锥部长度，刀柄质量较轻，可缩短换刀移动距离，加快换刀速度，有利于实现高速自动换刀；
, t7 K' Z. M8 H采用1:10锥度，锥柄较短，楔形效果好，有较强的抗扭能力，且能抑制因振动而产生的微量移位；
刀柄与主轴间由扩张爪锁紧，转速越高，扩张爪的离心力(扩张力)越大，锁紧力越大，具有良好的高速性能。
为提高刀具系统在高速状态下的动平衡精度，可在刀柄上安装自动校正动平衡装置。
7 D% u, d$ g1 a, q9 {8 i文章关键词： 数控机床