數(shù)控深腔加工刀具夾持技術(shù)研究

任成高，申曉龍

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410208）

深腔注塑模具零件加工，汽車覆蓋件沖壓模具零件加工，現(xiàn)已廣泛采用數(shù)控加工中心機(jī)床的高速加工方式。由于切削條件的限制，在加工效率、機(jī)床使用成本、加工表面質(zhì)量以及加工精度控制等問(wèn)題上，仍然是一個(gè)普遍性工藝難題。深腔零件數(shù)控精加工需要使用細(xì)長(zhǎng)桿刀具，但細(xì)長(zhǎng)桿刀具使機(jī)床－刀具系統(tǒng)剛性變差，導(dǎo)致容易出現(xiàn)掉刀、斷刀等問(wèn)題，限制了加工效率和零件質(zhì)量的提高，刀具夾持技術(shù)就成了解決這個(gè)難題的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題[1]。

國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的數(shù)控加工中心機(jī)床刀具夾持方式是刀柄－夾頭－刀具式結(jié)構(gòu)，主要形式有：彈性?shī)A頭式、應(yīng)力鎖緊式、靜壓膨脹式、熱裝式夾頭[2-3]。彈簧夾頭式通用性好，使用方便，但通常夾持剛度不夠且不易控制。相對(duì)來(lái)說(shuō)，只要能夠克服彈簧夾頭式夾緊力小、夾持不確定等缺點(diǎn)，彈簧夾頭式制造簡(jiǎn)單，且現(xiàn)存刀柄量大，比其他方式更有發(fā)掘優(yōu)勢(shì)。充分利用已有的機(jī)床設(shè)備，提高彈簧夾頭的裝刀性能和裝夾可靠性，最大限度地提高其使用效率，與加工普通零件一樣來(lái)加工深腔模具，是刀具裝夾應(yīng)用發(fā)展的一個(gè)方向。

1 數(shù)控機(jī)床刀具夾持方式

1.1 彈性?shī)A頭式

彈性?shī)A頭又稱彈性筒夾，是一種裝在鉆、銑床上的鉆銑夾頭，其功能是夾緊鉆刀或銑刀。目前用得最多的是ER 彈性筒夾，其性能穩(wěn)定，精度高。彈性?shī)A頭優(yōu)點(diǎn)：同心度好、適合多種尺寸的刀具；夾緊力強(qiáng)、成本低且方便清洗。缺點(diǎn)：每把刀具的同心度都必須經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，使用者需要一定的技術(shù)；難保持制造商指定的精度標(biāo)準(zhǔn)，即精度保持性一般。

1.2 應(yīng)力鎖緊式

應(yīng)力鎖緊式刀具夾緊技術(shù)是一種超高精度夾持刀具的先進(jìn)技術(shù)，適用于加工中心、高精度鏜銑床等加工設(shè)備。目前用得最多的是RIBOS-S 型應(yīng)力鎖緊式刀具夾頭，該夾頭用來(lái)夾持鉆頭、鉸刀、銑刀等，該夾頭夾持孔具有精確設(shè)計(jì)的軸對(duì)稱特殊幾何形狀，使用專用加載器從外部對(duì)夾頭夾持段加壓，夾頭夾持刀具后始終處于彈性變形狀態(tài)；松開(kāi)加載器，刀具就被夾頭巨大的變形恢復(fù)力牢固地夾緊。

1.3 靜壓膨脹式

靜壓膨脹式刀具夾緊系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于加工中心、金屬切削加工生產(chǎn)線及各類鏜銑床上，也可以高精度液壓芯軸的形式在車床、磨床和齒輪加工機(jī)床中擔(dān)任精密夾持工件的任務(wù)。通常靜壓膨脹式刀具夾頭夾持回轉(zhuǎn)精度在3 微米以內(nèi)，具有夾持精度極高的特點(diǎn)；內(nèi)藏油腔結(jié)構(gòu)及高壓油大大地增加了結(jié)構(gòu)阻尼，起到吸振減振的作用，這種夾緊系統(tǒng)還能使刀具在切削加工中的使用壽命得到極大提高。

1.4 熱裝式夾頭

熱裝式夾頭是利用熱脹冷縮將刀具夾持部分加熱至300℃左右，再將刀具柄部插入，冷卻后即可將刀具夾緊，這類夾頭通常用熱風(fēng)方式加熱，也有采用特殊電磁感應(yīng)方式加熱裝置。配有直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要用于高速高精度切削加工；改進(jìn)的新型i-tec 熱套夾頭符合最新ISO 標(biāo)準(zhǔn)，熱縮性?shī)A頭優(yōu)點(diǎn)是具有優(yōu)異的動(dòng)平衡性能、同軸度高，極強(qiáng)的刀具挾持力，可傳遞較大的扭矩；缺點(diǎn)是容易因使用者操作不當(dāng)而損壞。

2 夾頭夾緊原理與ER 系列彈性筒夾

2.1 夾頭夾緊原理

夾頭是數(shù)控加工中心機(jī)床中極為重要的一個(gè)零部件，夾頭型號(hào)多種多樣，夾頭的主要作用是用來(lái)固定鉆頭、銑刀或鉸刀的。夾頭的形狀一般都是圓柱形的，而且頭部的地方是突起的，夾頭的頭部呈三角分叉狀，使用時(shí)可以根據(jù)對(duì)螺帽的旋轉(zhuǎn)來(lái)控制頭部的開(kāi)啟和閉合。夾頭的頭部三角分叉型能夠很好地固定銑刀和鉆頭，夾頭能夠在機(jī)床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)吸收一部分由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)，且頭部可以很吻合地夾緊刀具，安全性比較高（圖1、圖2）。

圖1 夾頭夾緊剖切圖

圖2 夾頭夾緊原理圖

彈簧夾頭的安裝、拆卸過(guò)程：將彈簧夾頭、緊鎖螺母的螺紋部分及定位面、錐面清理干凈；夾頭裝入緊鎖螺母內(nèi)，然后將裝有彈簧夾頭的鎖定螺母輕輕擰在刀柄、接桿或者主軸上，螺帽底部有小圓點(diǎn)標(biāo)記，將彈簧夾頭的槽裝入螺帽的偏心環(huán)位置；在夾頭與緊鎖螺母的安裝過(guò)程中夾頭與鎖緊螺母傾斜一定角度，按照箭頭指示方向?qū)椈蓨A頭推入直至聽(tīng)到咔噠聲響，代表彈簧夾頭已經(jīng)安裝到位。然后裝入刀具，將裝有彈簧夾頭的螺帽裝到刀柄上。

2.2 ER 系列彈性筒夾

ER 夾頭采用特殊材質(zhì)可防銹蝕，夾緊力大，變形小，精度穩(wěn)定，耐磨性高，相同鎖緊力的情況下磨損性能優(yōu)于SK 夾頭，使用壽命更長(zhǎng)。PP 級(jí)精度（儀器級(jí)）徑向跳動(dòng)≤0.001，表面光滑亮潔。廣泛用于銑、鏜、鉆、攻絲、磨、雕刻等加工。通常用于數(shù)控刀柄配 套使用，適用于高速數(shù)控加工中心機(jī)床（圖3、圖4）。

圖3 ER 系列彈性筒夾結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 ER 彈性筒夾尺寸標(biāo)準(zhǔn)

3 彈性?shī)A頭的設(shè)計(jì)、計(jì)算與加工

3.1 彈性?shī)A頭的材料

高碳鋼和滲碳鋼一般可作為彈性?shī)A頭的工作材料，在夾緊較大刀具和夾緊力較大工作情況時(shí)，彈簧夾頭常采用合金鋼制造。為得到更好的耐磨性和彈性，彈性?shī)A頭需要滲碳和淬硬處理。圓錐有急劇變化的薄壁彈性?shī)A頭通常采用熱處理變形較小的4XC 鉻鋼，同時(shí)采用4XC、9XC 等鉻鋼也能保證薄壁彈性?shī)A頭有較高的耐用度、較長(zhǎng)的工作壽命。當(dāng)采用12XH3A 和15XA 滲碳鋼制造而成的彈簧夾頭，由于這種鋼內(nèi)含有的一定鎳的成分，故具有最好的耐磨性能。

通常采用彈簧鋼和合金鋼制造彈性?shī)A頭，由于夾緊部位硬度偏低、磨損加快，或出現(xiàn)彈性部位斷裂問(wèn)題。滲碳合金鋼20CrNiMo 氣體滲碳淬火制作彈性?shī)A頭，重復(fù)循環(huán)次數(shù)達(dá)35×104，具有高的疲勞強(qiáng)度，取得了好的效果。

3.2 夾頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

彈性?shī)A頭是現(xiàn)代機(jī)床夾持刀具的重要定心夾緊工具，夾頭不易損壞刀具表面，且具有高的定心精度（高精度達(dá)0.01～0.02mm）。夾頭是具有多瓣開(kāi)槽的彈性套，分單、雙面開(kāi)槽，夾頭夾緊刀具相當(dāng)于多楔面夾緊，夾緊鉗口錐角一般為12°～30°，利用其徑向彈性將刀具夾緊。將夾頭端部結(jié)構(gòu)改為弧形，通過(guò)材料截面慣性矩來(lái)確定尺寸a和b 的值，如圖5 所示。

圖5 彈性?shī)A頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

調(diào)整刀片中心保證高度H、控制軸向切入深度L，在臥式銑床上即可加工。選定刀片半徑R，中心高度H、軸向切入深度L，可根據(jù)如下幾何算式得到：

3.3 彈性?shī)A頭夾緊裝置的計(jì)算

彈性?shī)A頭通常作為薄壁空心及較小零件的定心和夾緊用，相對(duì)卡爪式夾緊裝置而言，彈性?shī)A頭夾緊裝置工作時(shí)相當(dāng)準(zhǔn)確，夾緊時(shí)也不致?lián)p壞夾緊表面。彈性?shī)A頭心軸設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先考慮到零件的拆卸方便，為使零件容易卸下，一般彈簧夾頭常采用30°圓錐頂角。若是按零件內(nèi)孔定心的彈簧夾頭優(yōu)先采用5°～15°的圓錐頂角。

彈性?shī)A頭夾緊裝置的工作能力要求取決于其各部分是否相稱適合，彈性?shī)A頭的尺寸可通過(guò)查表得到，其基本尺寸也可采用下面計(jì)算公式確定，彈性?shī)A頭夾緊裝置的計(jì)算見(jiàn)圖6。

圖6 彈性?shī)A頭夾緊裝置的計(jì)算

對(duì)向內(nèi)夾緊的彈性?shī)A頭當(dāng)D/d1=0.8～1 時(shí)（式中d1 為彈性?shī)A頭配合的直徑），各基本尺寸可按下面經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算：

夾持直徑與槽數(shù)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 夾持直徑與槽數(shù)關(guān)系

為了保證正確精密地夾緊零件，使彈性?shī)A頭的各夾瓣都能完全緊密地貼合接觸，在計(jì)算彈性?shī)A頭和套筒的圓錐頂角時(shí)，應(yīng)使得夾緊與被夾緊部分的表面通常先在前面部分就開(kāi)始先接觸。

3.4 彈性?shī)A頭的加工

彈簧夾頭對(duì)工作孔徑與尾部外圓及頭部錐體部分有較高的同軸度要求，彈簧夾頭的加工工藝主要與其工作孔的大小有關(guān)，按加工工藝要求可分為：工作孔能磨（4.5 毫米以上）及不能磨（4.5 毫米以下）兩類。前者工藝較為簡(jiǎn)單，后者由于工作孔不能磨削，因此工藝比較復(fù)雜一些。

（1）第一類彈簧夾頭的工藝特點(diǎn)是：溝槽在熱處理前不銑穿，溝槽的端頭留出5～6 毫米，以免在熱處理時(shí)發(fā)生很大的變形。熱處理后先磨外圓，再以外圓為基準(zhǔn)磨工作孔，最后用薄砂輪將溝槽切穿。

（2）第二類彈簧夾頭的工藝特點(diǎn)是：在熱處理后先用薄片砂輪將溝槽切穿，然后研磨工作孔，再用鐵絲扎緊外部，固定在心軸上磨外圓。

如在上述圖5 中的彈性?shī)A頭既是夾緊元件也是定位元件，夾頭的內(nèi)孔和外圓錐面都是定位表面，且內(nèi)孔與外圓錐面間有較高的同軸度要求，并需滿足其夾緊力分布均勻又變形小，夾頭上均勻開(kāi)有六個(gè)槽，槽寬0.5mm，可用專用立式銑床加工。

4 彈性?shī)A頭在數(shù)控加工中心機(jī)床上的應(yīng)用

4.1 數(shù)控加工中心機(jī)床主軸部件典型結(jié)構(gòu)

數(shù)控加工中心機(jī)床主軸部件典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。主軸1 的前支撐4 配置了3 個(gè)高精度的角接觸球軸承，用以承受徑向載荷和軸向載荷，前兩個(gè)軸承大口朝下，后一個(gè)軸承大口朝上。前支撐預(yù)加載荷計(jì)算預(yù)緊量由預(yù)緊螺母5 來(lái)調(diào)整。后支撐6 為一對(duì)小口相對(duì)配置角接觸球軸承，它們只承受徑向載荷，因此軸承外圈不需要定位。該主軸選擇的軸承類型和配置形式滿足主軸高轉(zhuǎn)速和承受較大軸向載荷的要求。主軸受熱變形向后伸長(zhǎng)，但不影響加工精度。

圖7 數(shù)控加工中心機(jī)床主軸部件典型結(jié)構(gòu)

4.2 刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)

如圖7 所示，主軸內(nèi)部和后端安裝的是刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)。它主要由拉桿7、拉桿端部的四個(gè)鋼球3、碟形彈簧8、活塞10 和液壓缸11 等組成。機(jī)床執(zhí)行換刀指令，機(jī)械手從主軸拔刀時(shí)，主軸需松開(kāi)刀具。此時(shí)液壓缸上腔通壓力油，活塞推動(dòng)拉桿向下移動(dòng)，使蝶形彈簧壓縮，鋼球進(jìn)入主軸錐孔上端的槽內(nèi)，刀柄尾部的拉釘（拉緊刀具用）2 被松開(kāi)，從而機(jī)械手拔刀。隨后壓縮空氣進(jìn)入活塞和拉桿的中孔，吹浄主軸錐孔，為裝入新刀具做好準(zhǔn)備。當(dāng)機(jī)械手將下一把刀具插入主軸后，液壓缸上腔無(wú)油壓，在碟形彈簧8 和彈簧9 的恢復(fù)力作用下，拉桿、鋼球和活塞退回到圖示的位置，即碟形彈簧通過(guò)拉桿和鋼球拉緊刀柄尾部的拉釘，進(jìn)而使刀具被夾緊。

刀桿夾緊機(jī)構(gòu)用彈簧夾緊，液壓放松，以保證在工作中突然停電時(shí)，刀桿不會(huì)自行松脫。在夾緊時(shí)，活塞10 下端的活塞桿端與拉桿7 的上端部之間有一定的間隙（約為4mm），以防止主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)端面摩擦。刀具夾緊具體受力情況如圖8 所示。

圖8 刀具夾緊受力圖

機(jī)床采用的是7：24 號(hào)錐柄刀具，錐柄的尾端安裝有拉釘2，拉桿7 通過(guò)4 個(gè)鋼球拉住拉釘2 的凹槽，使刀具在主軸錐孔內(nèi)定位及夾緊。拉緊作用力由碟形彈簧8 產(chǎn)生。碟形彈簧共有34 對(duì)68 片，組裝后壓縮20mm 時(shí)彈力為10kN，壓縮28.5mm時(shí)彈力為13kN，此時(shí)拉緊刀具的拉緊力等于10kN。換刀時(shí)，活塞10 推動(dòng)拉桿7，直到鋼球進(jìn)入主軸錐孔上部的直徑37mm 環(huán)槽，這時(shí)鋼球已不能約東拉釘?shù)念^部。拉桿繼續(xù)下降，拉桿的a 面與拉釘?shù)捻敹私佑|，進(jìn)而把刀具從主軸錐孔中推出，機(jī)械手即可將刀取出。

5 結(jié)語(yǔ)

大型深腔注塑模具零件加工，汽車覆蓋件沖壓模具零件加工，現(xiàn)已廣泛采用數(shù)控加工中心機(jī)床的高速加工方式。深腔零件數(shù)控精加工需要使用細(xì)長(zhǎng)桿刀具，但細(xì)長(zhǎng)桿刀具使機(jī)床－刀具系統(tǒng)剛性變差，導(dǎo)致容易出現(xiàn)掉刀、斷刀等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的數(shù)控加工中心機(jī)床刀具夾持方式主要形式有：彈簧夾頭式、應(yīng)力鎖緊式、靜壓膨脹式、熱裝式夾頭。

本文在數(shù)控加工中心機(jī)床上傳統(tǒng)的刀具夾持方式上，結(jié)合夾頭夾緊原理與ER 系列彈性筒夾，應(yīng)用彈性彈簧夾頭式的刀柄－夾頭－刀具式結(jié)構(gòu)，提供了部分經(jīng)驗(yàn)公式，合理地進(jìn)行彈性彈簧夾頭的設(shè)計(jì)、計(jì)算與加工，并將彈性彈簧夾頭應(yīng)用在數(shù)控中心機(jī)床上的深腔零件刀具夾持與加工，取得了成功。