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技術前沿 |液壓膨脹夾頭的技術進步
Ringier?榮格金屬加工 · 2018-09-12 14:12:52       |     1334           

       刀具夾緊裝置——刀夾/夾頭是機床和刀具之間的重要連接環節,也是關鍵接口。它影響到加工的尺寸精度、表面質量、準備時間和刀具的磨損。因此,良好的減震性、高的回轉精度、高的夾持力和高的剛性是對該接口的主要要求,滿足這些要求,才能確保切削加工的順利進行。作為刀具夾緊裝置的刀夾和夾頭,特別是液壓膨脹夾頭,在最近幾年里,有著令人矚目的技術進步。然而這種夾頭,卻在一些科技類書籍、雜志和產品樣本中被稱作“刀柄”。在談及液壓膨脹夾頭技術進步之前,討論一下刀具夾緊裝置的名稱也許是有益的。

 

      說起液壓膨脹夾頭,筆者不得不先來談談這類產品的名稱問題。最近在一些科技類書籍、雜志,甚至是產品的樣品書中,越來越多地將刀具的這種夾緊裝置,稱為刀柄。在上世紀70年代,我們在設計攻絲組合機床時,對于攻絲工序常常采用的攻絲夾頭,現在則說成是攻絲刀柄;在張伯霖等編著的《高速切削技術及應用(2002)》一書中,介紹了三棱變形夾頭,靜壓夾頭和熱裝夾頭,這樣的名稱就是德國雄克公司(Schunk)當時使用的名稱,而當下,“夾頭”的名稱變成了“刀柄”。在雜志上,德文明明寫的是“Hydrodehnspannfutter ”,譯者卻偏偏翻譯成“液壓刀柄”,豈不怪哉?


       在好多著名公司的產品樣本上,外文中也明明寫著:“Hydrodehnspannfutter;Hydraulic Chuck;Hydraulic Expansion Toolholders”,而“Spannfutter” “Chuck”和“Toolholder”所表達的就是“夾頭”和“刀夾”的意思,編者卻偏偏把它說成是“刀柄”。這里要指出,刀柄和夾頭是兩個概念,夾頭(夾緊裝置)的功能是夾持刀具的刀柄,而刀柄指的是刀具的柄部,其功能是起著與刀夾的連接作用。刀柄的德文名稱是“Werkzeugschaft”,而英文用的是“Tool Shank”。

       有相當多的科技書籍把刀具的夾緊裝置也稱作刀柄,如劉戰強等編著的《先進切削加工技術及應用》(機械工業出版社 2005第36頁)一書中說:“液壓刀柄帶有靠液壓伸縮和膨脹的夾持裝置來夾持刀柄”,如果去掉某些形容詞和方式狀語等相關詞,這一段就可寫成“刀柄夾持刀柄”了,也許會使許多讀者搞不明白。有一段介紹熱脹冷縮夾頭的德文資料也可作為一個例子:Die Bohrung des Spannfutters hat einen etwas kleineren Durchmesser als der Werkzeugschaft,意思是說,夾頭(Spannfutter)的孔徑要比刀柄(Werkzeugschaft)的直徑略小些,如果這一段文字翻譯成:刀柄的孔徑要比刀柄的直徑略小些,顯然會令人費解。

       無論是液壓膨脹夾頭,熱脹冷縮夾頭,側固式圓柱柄夾頭,彈簧夾頭還是三棱應力鎖緊夾頭,都是刀具的一種夾緊裝置,夾頭前面的形容詞是說明夾頭的動作原理的,而對于刀柄還要有什么動作原理?夾頭是機床主軸和刀具之間的雙重接口(主軸/夾頭和夾頭/刀具),即夾頭以其一端通過工具柄與機床的主軸相連接,另一端則通過其刀柄夾持孔與刀具的刀柄進行連接。夾頭的任務就是要可靠和精確地夾緊刀具,并把機床主軸的轉矩和工作精度傳遞給切削加工中的刀具,實施可靠的切削加工。

       問題是,為什么在一些科技書籍、雜志、產品樣品里,卻把夾緊刀具的“夾頭”稱為“刀柄”?

       在這里,就以德國Schunk公司制作的“Werkzeughalter/Toolholder"德-英樣本和代理商的中文翻譯為例來進行分析(見表1)。




       德國的Schunk公司用母語德文“Spannfutter”和“Werkzeughalter”來表達“夾頭”和“刀夾”,應該是非常確切的名稱。而Schunk公司的代理商在樣本、新聞稿等市場宣傳資料中卻使用了“液壓刀柄”“機械刀柄”這樣的名稱,還有像Mapal、Haimer和Sandvik Coromant等著名公司也都采用了這樣的名稱,不能不說是令人十分費解和驚訝的。根據筆者的分析,主要的原因可能:一是不太懂德語,二是對英文詞“Toolholder”的錯誤理解,三是缺乏一定的專業知識。“Toolholder”雖有刀桿、刀柄和工具柄的意思,但是也有刀夾(夾頭)的意思,在這里,這個多意詞表示的應該是刀夾(夾頭)的意思,這與德文的意思是一致的。例如英文Toolholders with HSK-tapers shank (德文:Werkzeugaufnahmen mit Hohlschsftkegel ),意思是采用空心錐柄的夾頭。

        寫作中,筆者又查閱了德英“Spanende Werkzeugmaschinen”詞典和網上的德英在線詞典,Toolholder的德文解釋:Werkzeughalter;Werkzeugaufnahme;Werkzeugtr?ger;Werkzeugspanner。表達的意思是刀夾,刀架,工具柄。由國防工業出版社出版的《英漢工程技術詞匯》對Toolholder的釋意是:刀夾,工具柄,刀桿。

        通過上述多方面的分析和考證,把刀具夾緊裝置稱為“刀夾”或“夾頭”,無疑是正確的。應看到,在一些科技書中,不僅在刀夾的名稱上,而且在刀柄,刀具系統和工具系統這些名稱和概念上也有含混不清的表述。如把工具系統或者刀具夾緊系統稱為刀柄系統,還有稱之為刀具系統,甚至把HSK空心錐柄稱為真空刀柄。

        筆者認為,工具協會應該負責把工具的技術名稱進行規范化,沒有規范的技術名稱,不僅不利于技術交流,并且也會引起生產管理上的混亂。


         液壓膨脹夾頭由于具有較好的阻尼作用、很高的回轉精度和操作簡單無需外圍設備等眾多優點,因而在精加工中獲得廣泛應用。而對于高效銑削和重切削等粗加工,需要具有很高夾持力的夾頭,較多的是采用熱脹冷縮夾頭。這種夾頭是利用材料的熱脹和冷縮特性(溫差法技術)和不同材料熱膨脹系數的差異來實現刀具的夾緊和松開。這種整體式夾頭的獨特優勢是其旋轉對稱的夾頭體所帶來的高回轉精度(< 0.003mm)、高夾持力和可制成細長型夾頭。由于夾頭無需通過附加的諸如移動元件或其它中間機械元件來夾緊刀具,夾緊力完全是通過貼合在刀柄上的夾頭夾持孔表面的強力收縮來產生的,由于夾頭的動平衡性能好,因而特別適合用于高速和高效加工。但是,熱脹冷縮夾頭的不足之處是吸振性能較差,并需要一個附加的感應加熱裝置。這就增加了生產成本和延長了準備時間。    鑒于這種情況,多家著名的刀具和工具制造廠商推出了液壓高轉矩的夾頭。例如,2009年Mapal公司推出了High Torqur Chuck液壓膨脹夾頭,Schunk公司推出了Tendo E compact液壓夾頭,以及Sandvik Coromant 公司的CoroChuck? 930 新一代液壓夾頭。這些新的夾頭將液壓膨脹夾頭良好的阻尼性能與熱脹冷縮夾頭的高夾持力結合在一起,成為既可用于精加工又可用于粗加工的通用夾頭,擴大了液壓膨脹夾頭的使用范圍。

         Sandvik公司,采用了fulcrum-technologie專利技術,通過改進焊接內套的結構來達到夾頭的高精度和高的可靠性,這種新的結構使裝入的刀柄有兩個環形支點支撐,從而可實現極其可靠的夾緊和很高的扭矩傳遞。

         Mapal公司的High Torque Chuck(HTC)液壓膨脹夾頭,在夾緊直徑為20mm的刀柄時,可傳遞的扭矩達550Nm,Schunk公司Tendo E compact液壓夾頭可傳遞520Nm, Sandvik Coromant 公司的CoroChuck? 930液壓夾頭則可傳遞370Nm(而在夾緊直徑32mm的刀柄時,則可傳遞扭矩900Nm)。

       2是Mapal公司的High Torque Chuck(HTC)液壓膨脹夾頭可傳遞的扭矩。HTC液壓膨脹夾頭可傳遞的扭矩一般約高于常規液壓膨脹夾頭的一倍,如對用于刀柄直徑20mm的常規液壓夾頭,允許傳遞的扭矩僅為280Nm(夾持直徑32mm的刀柄時,允許傳遞的扭矩也僅為450Nm)。



       根據Mapal公司的加工測試,在大余量銑削時,刀柄上的溫度可達到170℃或更高。這樣高的溫度自然會傳到夾頭上,使夾緊腔中油溫升高,由于油的膨脹系數是鋼的50倍,隨油溫的升高導致夾持力的增高,而壓力的增高,會使焊點破裂,導致夾頭失效。因此,這種常規液壓膨脹夾頭的工作溫度應該不超過50℃。

      Mapal公司High Torque Chuck液壓膨脹夾頭通過特殊的結構設計,使連接部位的耐熱性達到170℃,這樣可允許承受較高的油壓,提高了過程可靠性,這樣,使高轉矩液壓夾頭可應用于高速切削、高效切削、干式加工和微量潤滑加工。


       在這里我們看到,Mapal公司在不斷改進和提高液壓膨脹夾頭性能的同時,還始終關注著各個技術領域里所出現的新技術和新工藝,并利用這種新技術結合自己的產品進行創新,利用3D打印技術制造液壓膨脹夾頭就是一種成功的產品創新。

       Mapal公司通過“增材制造”細長型高轉矩夾頭(HTC),成功地將液壓膨脹夾頭的優點同細長型熱脹冷縮夾頭的特點相結合。3D打印是按照分層堆積制造原理,把夾頭的三維生產任務簡化成多個二維生產工序(即橫截面制造工藝)的創新工藝。通過逐層制造的方式,制造出具有幾何形狀較為復雜的液壓夾緊腔的功能構件。Mapal公司在制造具有細長型的高轉矩液壓膨脹夾頭時,是采用了選擇性激光熔融(SLM)工藝,并以混合制造的方式,在由常規制造的工具柄基礎上,通過選擇性激光熔融制造出夾頭的功能部分,整個夾頭成為一個整體。放棄了膨脹套與夾頭基體之間的焊接操作,使夾緊油腔貼近夾頭的頂端,這在采用常規工藝時是不可能做到的,此外還能改善夾頭的耐熱性。由此可見,常規制造精密工具所受生產條件的限制可以通過“增材制造”來彌補。

       目前,“增材制造”工藝的費用較高,金屬粉末和工藝設備會導致“增材制造”工藝的費用要高于常規制造工藝,所以,只有當由“增材制造”的工具,創造出比常規制造的工具更高的技術經濟效益時,這種制造工藝才會有市場。選擇常規制造與“增材制造”相結合的混合制造方式(常規工藝用來制造幾何形狀比較簡單的構件部分)也就是為了降低部分的制造費用。

       在過去,模具型腔表面的加工主要采用細長型熱脹冷縮夾頭,而使用細長型液壓夾頭肯定能獲得更好的加工效果。根據NT Tool Europe公司的資料,對細長型液壓膨脹夾頭和細長型熱脹冷縮夾頭進行的比較試驗表明,前者要比后者減小80%的震動,這顯然有利于刀具壽命和工件表面質量的提高。

       激光熔融的“增材制造”技術是一種數字化直接制造的創新工藝,它使設計人員得到比常規生產工藝更多的設計自由度,為刀具和刀夾設計提供了新的可能性,從而制造幾何形狀復雜而采用常規工藝難于制造的刀具和夾頭。

       目前,在工具行業里,像Mapal公司除了將“增材制造”工藝用于制造液壓膨脹夾頭外,還用于制造鑲片內冷卻QTD系列麻花鉆頭和刀體內部具有網狀筋條結構的外圓鉸刀,Komet公司將“增材制造”工藝用于制造komet-Jel PCD 擰裝式銑刀。雖然,目前工具行業的“增材制造”在很多方面仍處于起步階段,但是“增材制造”技術在制造過去用常規工藝難以制造或無法制造的復雜構件、提高工具性能和減輕構件重量等方面有著巨大的潛力,隨“增材制造”技術的不斷進步,這種創新的工藝必將會與刀具和刀夾技術的發展很好結合起來。

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