刀柄是確保加工生產率的重要環節
2019-11-28 來源：山高 作者： Yves Heitz 刀柄系統產品經理
上海, 2019 年 11 月 - 精密的機床配合先進的切削刀具可提供出色的金屬切削生產率。而刀柄作為切削刀具和機床主軸之間的關鍵性接口，對于實現高生產率至關重要。刀具制造商提供多種刀柄類型，每種類型的刀柄在特定加工應用中都具有最佳性能。因此，加工車間應根據其特定工序以及生產的零件選擇刀柄。然而，雖然車間希望采用最先進的機床技術和切削刀具材料，但對于選擇、應用和維護最適合其特定生產需求的刀柄，他們通常并不重視。
所有刀柄都不盡相同
沒有一個刀柄系統是萬能的。專為高速精加工工序而打造的刀柄通常會缺乏高效加工所需的剛性和強度，例如，粗加工毛坯鑄件。相反，用于粗加工的刀柄通常會缺乏動平衡性，這種動平衡性能夠使刀柄在精加工工序中高速平穩運行。此外，粗加工刀柄的粗壯設計和大體積可能會限制其夠到較精細或較深的零件特征。而難加工材料需要具有增強強度和剛性的刀柄。此外，刀柄的減振能力以及冷卻液輸送能力也是重要的選擇標準。
使用不合適的刀柄會導致尺寸誤差和零件報廢，以及機床主軸過度磨損、刀具壽命縮短和刀具斷裂風險增加。在非關鍵性作業中，物美價廉的刀柄可能會產生令人滿意的結果。但是，在必須獲得可重復精度的工序中，尤其是在昂貴工件報廢會降低零件的利潤率時，投資以應用為中心的高質量刀柄可以以較低的成本防范此類意外損失。
某些車間經理可能認為在各種應用中使用長型刀柄可以有效節約成本。然而，盡可能使用最短的刀柄將最大限度地提高剛性，減少導致表面質量下降的振動并保持刀具壽命。
刀柄占總生產成本不到 2%。即使將刀柄成本減半，對總生產成本也只是微不足道的節省，而工件報廢或刀具斷裂對成本有重大影響。優質刀具和刀柄可提高金屬切削生產率，從而立即獲得刀具投資回報。尤其是在航空航天零部件制造等對加工工藝穩定性要求極為嚴格的行業中，許多制造商都將重點放在購買優質刀具上，以避免生產出有缺陷的零件或是將時間浪費在故障排除和生產中斷上。航空航天制造商通常要花較長時間來驗證新的刀柄概念，然后才能進行生產認證。
工件因素影響刀柄選擇
影響刀柄選擇的因素包括每個作業中工件材料的可加工性以及最終零件的配置，這些因素可確定到達特定輪廓或特征所需的刀柄尺寸。刀柄應盡可能簡單且易于使用，以盡量減少操作員出錯的可能性。
無論采用哪種刀柄技術，機床的剛性、主軸功率和產生嚴格公差的能力將決定什么工序是可行的。例如，在磨損的機床上嘗試產生微米級公差就不切實際。
機床的基本構件起著關鍵作用 — 具有線性導軌的快速機床將充分利用專為高速應用而設計的刀柄，而具有箱型槽的機床則為重載加工提供支持。多任務機床可同時完成車削和銑削/鉆削工序。
也可以根據加工策略選擇刀柄。例如，為了在高速切削 (HSC) 工序中或在高性能切削 (HPC) 應用中最大限度地提高生產率，車間會選用不同的刀具，前者涉及較淺的切削深度，后者重點關注在功率充足但速度有限的機床上產生較高的金屬切除率。
較低的可重復徑向跳動有助于確保恒定的刀具嚙合量，從而減少振動并最大限度地延長刀具壽命。平衡至關重要，高質量刀柄應在 G2,5-25000 rpm 質量 (1 g.mm) 下達到精密動平衡。加工車間可以根據實際情況，或咨詢刀具供應商，確定能夠以經濟高效的方式滿足其生產需求的刀柄系統。
每種刀柄都有自己的細分市場
無論是簡單的側固式、夾套式、熱縮式、機械式還是液壓式，刀柄都應符合特定的工序要求。例如，用于側固柄刀具的簡單立銑刀刀柄堅固、易于使用，可傳輸高扭矩，并提供安全和堅固的夾緊功能，具有強大的防拉拔作用。這類刀柄非常適合重載粗加工，但缺少精確的同心度。通常，它們本質上是不平衡的，不能有效地應用于使用高轉速的應用。
彈簧夾頭和可互換夾套是最常用的圓形刀柄技術。經濟高效的 ER 式提供各種尺寸，并提供足夠的夾持力，以實現可靠的輕銑削和鉆削工序。高精度 ER 夾套式刀柄具有較低的徑向跳動（在刀尖處 < 5μm）和可平衡用于高速工序的對稱設計，而加強型則可用于重載加工。ER 刀柄便于快速轉換，可適應各種刀具直徑。熱脹刀柄可提供強大的夾緊力，在 3xD 處具有 3 μm 的同心度，且具有極佳的動平衡質量。小巧的刀柄設計可以很好地夠到棘手的零件特征。
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增強型刀柄可進行中等至重載銑削，但夾持力取決于刀桿和刀柄的內徑公差。熱脹式刀具需要購買特殊加熱裝置，加熱/冷卻過程比簡單地切換夾套需要更多的安裝時間。
機械銑削夾頭通過多排滾針軸承提供強大的夾持力和高徑向剛性。該設計可實現重載銑削和快速換刀，但跳動量可能大于夾套系統。機械夾頭的尺寸通常大于其他刀柄類型，這可能會限制刀具夠到某些零件特征。
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與機械夾頭相比，使用油壓產生夾緊力的液壓夾頭具有更少的內部構件，因此外形相對更纖細。液壓夾頭的徑向跳動較低，在高主軸轉速下可有效地進行擴孔、鉆孔和輕銑削，但對大徑向負載敏感。
與刀柄如何固定切削刀具同樣重要的，是如何將刀柄安裝到機床主軸上。刀柄的主軸或錐形端決定了扭矩傳遞能力及刀具對中精度。傳統 BT、DIN 和 CAT 刀柄錐度適用于較小的機床，但在高速加工方面可能會受到限制。與刀柄錐面和端面雙面接觸的型號可提供更高的剛性和精度，尤其是在大懸伸情況下。可靠傳遞更大的扭矩需要更大的錐度尺寸。例如，HSK-E32 刀柄不能在重載加工中替代 HSK-A125A。
刀柄錐度形式的選擇通常因地區而異。二十世紀九十年代中期，5 軸機床越來越受歡迎，HSK 正是在這期間開始在德國涌現。CAT 刀柄主要用于美國，而在亞洲，BT 刀柄非常受歡迎，并且經常為錐面/端面雙面接觸的型號。
HSK 常用于 5 軸加工。PSC（多邊形夾緊系統：Capto）和 KM 連接主要用于多任務機床，采用 ISO 標準。KM和 Capto 都是模塊化系統，允許通過組合接長桿或縮徑桿以裝配特定長度的刀具。隨著多任務機床越來越普遍，能夠在一次裝夾中實現車、銑、鉆等加工類型的刀柄越來越受歡迎。
Hydraulic Chuck.jpg
盡管專用的刀柄系統具備出色性能，但車間必須計算盈利性。來自單一供應商的專用系統往往成本較高，并且刀具的選擇余地有限。
成本和其他注意事項
雖然液壓式或機械式刀柄的基本成本比夾套式或熱脹式刀柄的基本成本更高，但后者還牽涉到其他因素，例如熱脹加熱系統的費用，以及更換刀具所需的時間。此外，每個刀具直徑還需要有相應的熱脹式刀柄，相對而言，在彈簧夾頭刀柄系統中只需切換夾套即可適應不同的直徑。
機床操作員和刀具維護人員務必需要正確使用刀柄。與機床和其他制造設備一樣，刀柄需要正確使用和維護，以最大限度地發揮其優勢及潛能。例如，操作員必須將刀桿完全插入刀柄中，如果插入不當會導致刀具出現準確性盡失的振動狀況甚至彈出。遵循刀具裝配規范至關重要。在擰緊夾頭時，操作員不得使用加長手柄來施加過大的扭矩，這會扭曲夾套并導致刀具錯位。
刀具維護也很重要，但這點通常被忽略。操作員應始終清潔刀柄后再使用，也應檢查機床主軸。刀柄應存放在清潔干燥的地方，并用蓋子保護刀具錐面。應定期檢查液壓夾頭的油液壓力。
總結
加工車間必須重視刀柄在加工系統中的重要性，并了解如何將正確的刀柄與特定機床、加工策略和工件正確匹配來提高生產率和降低成本。同時，刀柄制造商提供全面的刀柄選擇（參見附注），旨在滿足個性化的工藝需求。
未來的技術改進將不再局限于刀柄本身。使用軟件和 RFID 標簽進行刀具管理是基于數據的制造的一個要素，并且正在變得越來越普遍。刀柄技術的進步包括配備傳感器的刀柄，可實時監控刀柄上的力。所收集的數據允許操作員在加工過程中對加工參數進行調整，甚至可以通過與機器控制單元連接的人工智能 (AI) 自動調整。這些技術和其他新技術將進一步增加刀柄在加工工序中的生產貢獻值。
（附注）
滿足各種需求的刀柄
多年來，山高刀具在不斷擴展刀柄系列，以滿足特定的客戶需求。2000 年，山高刀具收購了法國刀柄系統公司 EPB，該公司在刀柄、鏜頭和減振刀柄的設計和制造方面經驗豐富，由此山高刀具能夠提供多種專為處理特殊加工應用而設計的刀柄。
例如，山高刀具提供不同的熱脹刀柄類型，有多種長度和頭部外形。HD 型熱脹刀柄專為重載粗加工而設計，而 DIN型 熱脹刀柄則是對質量有很高要求的高速切削工序中半精和精加工的首選。M&D（模具）型熱脹刀柄設計用于深腔中的半精和精加工，常見于模具和航空航天制造業。
此外，山高刀具還提供 ER 和 HP 彈簧夾頭。ER 夾頭通用性好并且很受歡迎，一種規格的夾頭通過安裝不同尺寸的彈簧夾套可以允許用戶夾持一系列直徑的刀具。HP 彈簧夾頭設計用于在高速精加工和輕載粗加工應用中保證良好的工件表面質量。刀柄具有減振效果，可減少一定的加工振動，并且刀具斷裂造成的影響較小，因為只需更換夾套和刀具即可立即恢復加工。
對于重載加工，山高刀具的預平衡強力銑削夾頭具有較高的金屬切除率，并且可替代熱脹式或側固式刀柄。這類夾頭易于操作，并且可使用縮徑套固定不同的刀具直徑。此外，液壓膨脹夾頭還通過膨脹套筒提供了刀柄的多功能性，在 3xD 處具有小于 5 μm 的徑向跳動，并且經過精細平衡，適用于高速切削應用。整體式儲油罐充當減振劑，有助于優化表面質量。
山高的銷售工程師對刀柄特性、功能和應用非常了解，區域技術專家也全力提供支持。經驗豐富的專業技術支持可幫助客戶選擇最適合其特定零件、設備和加工策略的刀柄。山高產品樣本還提供詳細的技術指南，幫助用戶做出最具生產力和成本效益的選擇。
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