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刀具接口對(duì)加工流程的質(zhì)量有著非常重要的影響

作為機(jī)床和刀具之間的直接連接環(huán)節(jié)，刀具接口會(huì)直接影響加工流程的效率與質(zhì)量。形成加工力所需的傳動(dòng)力矩，可以通過(guò)刀具接口被傳遞到切削流程中去。由于存在生成的彎曲力矩和扭矩的影響，對(duì)接口系統(tǒng)具有很高的機(jī)械剛性要求。

由于主軸技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和設(shè)備功率的不斷攀升，接口系統(tǒng)和裝卡系統(tǒng)也在持續(xù)改進(jìn)。除了適應(yīng)全自動(dòng)換刀的要求之外，目前的刀具接口正在朝著可傳遞力矩和提高主軸轉(zhuǎn)速的方向發(fā)展。

通過(guò)對(duì)可適應(yīng)各種機(jī)床設(shè)備的通用型鏜刀、車刀和銑刀的追求，從各種專用型系統(tǒng)中得出了標(biāo)準(zhǔn)型的接口。規(guī)格為63的HSK-A(DIN 69893-1)、PSC(DIN ISO 26623-1)和TS(DIN ISO 26622-1)標(biāo)準(zhǔn)型以及規(guī)格為40的SK(DIN ISO 7388-1)標(biāo)準(zhǔn)型接口系統(tǒng)均成為了測(cè)定彎曲性能的靜態(tài)試驗(yàn)的焦點(diǎn)。

圖1 帶有平整附件的刀具接口的彎曲特性曲線

針對(duì)靜態(tài)試驗(yàn)的模塊化試驗(yàn)臺(tái)

為了對(duì)刀具接口進(jìn)行對(duì)比性的靜態(tài)試驗(yàn)，刀具接口工作小組在RWTH Aachen的機(jī)床試驗(yàn)室(WZL)里采用了模塊化試驗(yàn)臺(tái)。這種試驗(yàn)臺(tái)由于采用了可更換的主軸模型，因此可允許對(duì)各種不同的接口系統(tǒng)和規(guī)格進(jìn)行試驗(yàn)。

引入力(即通過(guò)裝卡系統(tǒng)向刀具所施加的軸向力)是影響刀具接口性能的一個(gè)直接影響因素。為了向所試驗(yàn)的接口系統(tǒng)施加這個(gè)給定力，對(duì)試驗(yàn)使用了一些特殊的參照裝卡系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特殊性在于可對(duì)作用在刀具上的軸向力進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。對(duì)此，在沒(méi)有強(qiáng)化機(jī)械力的情況下，即可實(shí)施裝卡組合。通過(guò)一個(gè)螺母向拉桿施加的力，在沒(méi)有其他常見(jiàn)機(jī)械強(qiáng)化措施的條件下，被直接引向刀具上，并由膨脹測(cè)量條測(cè)得。為了獲得最大的可對(duì)比性，所采用的主軸模型的外形尺寸為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，唯有裝卡組合的安裝空間和接口的外形輪廓各不相同。

所產(chǎn)生的作用于刀具上的彎曲力矩由一個(gè)力度可調(diào)節(jié)的液壓油缸來(lái)生成。為了測(cè)量刀具與刀柄之間的相對(duì)傾角α，使用了呈軸向分布的感應(yīng)行程傳感器。

圖2 借助于基準(zhǔn)裝卡系統(tǒng)的SK 40和HSK-A 63型刀具接口的平均彎曲特性曲線

帶有平整附件的刀具接口的彎曲特性曲線如圖1所示。通過(guò)靜態(tài)彎曲力矩MB，可以顯示出刀具與主軸模型之間的相對(duì)傾角α。載荷循環(huán)連續(xù)進(jìn)行，直至彎曲力矩達(dá)到1000?N·m為止，然后再進(jìn)行卸載。這個(gè)過(guò)程進(jìn)行五次，以便產(chǎn)生各個(gè)彎曲特性曲線。

為了實(shí)現(xiàn)所需的特性曲線，使用了各種不同的刀具，以便顧及到公差范圍變動(dòng)的影響。所采用的刀具具有最大或最小的錐體直徑(在各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的公差范圍之內(nèi))和指定的幾何外形。從四個(gè)交錯(cuò)90°的位置上向刀具尖鋒傳遞載荷，以便探測(cè)可能存在的不對(duì)稱性。對(duì)于引入力、載荷方向和刀具的每一種組合，都可測(cè)得兩條彎曲特性曲線。因此，每個(gè)引入力都有24條彎曲特性曲線，而每條特性曲線則由五個(gè)載荷循環(huán)構(gòu)成。此類特性曲線以靜態(tài)方式測(cè)得，第一個(gè)加載和卸載由于沉降現(xiàn)象原因而未能被納入到求平均值的計(jì)算中去。

每個(gè)引入力可測(cè)得24條彎曲特性曲線

對(duì)于帶有平整附件的刀具接口來(lái)說(shuō)，首先近似直線的特性曲線(圖1，區(qū)域1)是很有代表性的。在直線區(qū)域內(nèi)，彎曲力矩在平整附件上主要通過(guò)一個(gè)支撐力矩而被測(cè)得。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，所給出的彎曲剛性kB是一個(gè)特征數(shù)值。它是由在直線載荷區(qū)域內(nèi)近似直線的坡度的倒數(shù)而生成的。這個(gè)直線區(qū)域的終點(diǎn)被視為是臨界彎曲力矩MB，krit。從該點(diǎn)開(kāi)始，刀具的平整附件在一側(cè)上失去了與主軸平整附件的接觸(區(qū)域2)，這種狀況會(huì)降低接口的剛性并提高特性曲線的坡度。

裝卡系統(tǒng)和椎體連接件同樣也會(huì)受力。隨著載荷增加而逐漸減小的平整附件接觸面會(huì)使得特性曲線逐漸呈現(xiàn)折彎現(xiàn)象。在所謂的過(guò)渡區(qū)域之后，接觸狀況沒(méi)有太大的變化，特性曲線又重新變得幾乎是直線。裝卡系統(tǒng)的剛性和椎體連接件對(duì)整體剛性有著顯著的影響。考慮到對(duì)高度剛性的要求，接口應(yīng)該用于載荷低于臨界彎曲力矩的場(chǎng)合。

圖3 刀具接口平均彎曲特性曲線(僅在加載下)在500?N·m的彎曲力矩下(借助于基準(zhǔn)裝卡系統(tǒng))

低于臨界彎曲力矩下使用接口

第三個(gè)常規(guī)特征值被視為是移動(dòng)力矩(MAb)。這個(gè)特征值是由一個(gè)彎曲剛性直線與另外一條彎曲剛性直線的切合點(diǎn)來(lái)定義的。在平整附件被移動(dòng)之后，第二條直線接近于幾乎是直線的區(qū)域(圖2)。通過(guò)這種定義，尤其是在移動(dòng)平整附件之后，通過(guò)一條直線貫穿該區(qū)域的設(shè)計(jì)，特征值MAb擁有很強(qiáng)的對(duì)裝卡系統(tǒng)和椎體的剛性的依賴性。但是，平整附件移動(dòng)的實(shí)際點(diǎn)卻不依賴于此。因此MAb與實(shí)際移動(dòng)并沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)性，它被標(biāo)識(shí)為移動(dòng)力矩的做法是有誤導(dǎo)性的。

圖3借助于參照裝卡系統(tǒng)，舉例闡述引入力(Fein)對(duì)HSK-A 63和SK 40型接口彎曲特性曲線的影響。除了相對(duì)傾角之外，理論上的刀尖位移(當(dāng)該位移與平整附件的間距為100?mm時(shí))也可以在示意圖中被讀出。首先，SK和HSK彎曲特性曲線的不同形狀是引人注目的。由于大傾角椎體沒(méi)有可以支撐彎曲力矩的平整附件，所引入的力和力矩原則上是通過(guò)椎體連接件被吸收。通過(guò)高達(dá)1000?N·m檢測(cè)力矩，特性曲線幾乎呈現(xiàn)為直線，并且相對(duì)無(wú)遲滯。

引入力對(duì)彎曲特性曲線的影響

引入力的加大并不會(huì)對(duì)彎曲特性產(chǎn)生明顯的影響。在HSK刀具方面，所導(dǎo)入的彎曲力矩首先由附加的平整附件來(lái)支撐。類似于一種螺栓連接，該系統(tǒng)由引入力進(jìn)行預(yù)夾持。引入的力越大，平整附件的移動(dòng)就越遲。線性區(qū)域的長(zhǎng)度與引入力幾乎呈現(xiàn)正比例關(guān)系。

當(dāng)引入力上升時(shí)，HSK彎曲剛性也隨之略微加大，但是其相互關(guān)系并非正比例關(guān)系，而是彎曲剛性呈漸近線方式并趨向最大值。這種效果是以平整附件連接處的非線性接合剛性為基礎(chǔ)。Petuelli曾指出，接合剛性在連接處面壓強(qiáng)的影響下，達(dá)到一個(gè)最大值并由此達(dá)到一種飽和。從這點(diǎn)開(kāi)始，引入力的繼續(xù)增大不會(huì)導(dǎo)致彎曲剛性的進(jìn)一步提高。

為了客觀觀察所試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化刀具接口的系統(tǒng)特性，圖3只顯示出彎曲力矩最大為500?N·m的線性載荷區(qū)域。在對(duì)所使用的裝卡系統(tǒng)依賴性很大的平整附件移動(dòng)之后，其特性曲線區(qū)域并未在接口直接對(duì)比中得到觀察。對(duì)沒(méi)有力的放大情況下的基準(zhǔn)裝卡系統(tǒng)對(duì)比，在上部曲線圖里是在引入力為30?kN條件下進(jìn)行的，而在下部曲線圖里則是在標(biāo)準(zhǔn)引入力的條件下進(jìn)行。可以明顯看出大傾角椎體與平整附件系統(tǒng)發(fā)生偏差的特性。它作為對(duì)彎曲力矩的一種反應(yīng)，具有較大的傾斜度。與零位相偏差的初始數(shù)值反映出因夾持效應(yīng)而在初次加載MB=1000?N·m之后的刀具的不可逆傾斜調(diào)整狀態(tài)。

常見(jiàn)裝卡系統(tǒng)在夾具上具有力的放大效應(yīng)

帶有平整附件(HSK和PSC)的系統(tǒng)擁有統(tǒng)一的平整附件外徑。在引入力同為30?kN的條件下，彎曲特性曲線在直線區(qū)域內(nèi)的走向相類似，這是因?yàn)槠秸�附件的支撐是至關(guān)重要的。在彎曲剛性特征值和直線區(qū)域終端方面，差異很小。根據(jù)各自的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，針對(duì)HSK-A 63型系統(tǒng)的引入力為18?kN，而針對(duì)PSC 63型系統(tǒng)的引入力則是30?kN。如果在這種力的條件下對(duì)彎曲特性曲線進(jìn)行對(duì)比的話，HSK平整附件從主軸上開(kāi)始移動(dòng)的時(shí)間則會(huì)提前。與PSC相比，這表現(xiàn)為一個(gè)更小的MB，krit。

相對(duì)于基準(zhǔn)裝卡系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)上常見(jiàn)的裝卡系統(tǒng)在其夾具上往往會(huì)出現(xiàn)力的增強(qiáng)的現(xiàn)象。由此可以改變力導(dǎo)入刀具的方式，同時(shí)裝卡系統(tǒng)的軸向剛性會(huì)因方式和制造廠商不同而有差異。此外，引入力無(wú)法得到很精確的測(cè)定或測(cè)量。圖4對(duì)所用的基準(zhǔn)裝卡系統(tǒng)(統(tǒng)一的主軸模型、無(wú)力放大的裝卡系統(tǒng)和特定加工的刀具)彎曲特性曲線與若干市面常見(jiàn)的系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。

圖4 基準(zhǔn)裝卡系統(tǒng)和常見(jiàn)的裝卡系統(tǒng)在36?kN引入力和標(biāo)準(zhǔn)引入力直至500?N·m彎曲力矩條件下的平均彎曲特性曲線

試驗(yàn)結(jié)果反映出彎曲剛性的某種程度上的離散

在圖4的下方，顯示出引入力統(tǒng)一為36?kN時(shí)的彎曲特性曲線的情況。而圖的上部則顯示出各種不同標(biāo)準(zhǔn)引入力條件下的刀具接口情況。針對(duì)TS系統(tǒng)，給出了一個(gè)從36～58?kN的階差。而針對(duì)對(duì)比工作，可選擇一個(gè)48?kN的引入力。在實(shí)際工作中，所有系統(tǒng)出現(xiàn)的引入力會(huì)因制造廠家的不同而有差異，其中有一部分也與標(biāo)準(zhǔn)引入力和這里為作比較而選定的力有著明顯的偏差。出于技術(shù)條件的原因，并不可能運(yùn)行每一個(gè)刀具接口系統(tǒng)和每一個(gè)引入力。由于TS系統(tǒng)的球體裝卡機(jī)理具有一定的局限性，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)基于非力放大型的基準(zhǔn)裝卡系統(tǒng)的試驗(yàn)。試驗(yàn)所采用的力放大型裝卡系統(tǒng)在曲線圖里用虛線表示。

由于刀具和刀柄的公差范圍處于變化之中，而裝卡系統(tǒng)引入力的測(cè)定也不夠準(zhǔn)確，因此，在試驗(yàn)結(jié)果中存在著一定程度的彎曲剛性和線性范圍長(zhǎng)度的離散。從圖4(下方)可以看出，所試驗(yàn)的帶有平整附件(HSK-A、PSC和TS)的接口在相同的引入力條件下，在線性載荷區(qū)域內(nèi)的性能是差不多的。從所試驗(yàn)的TS接口的球體裝卡系統(tǒng)的MB, krit的求值中，可以得出與其他平整附件系統(tǒng)的相類似的數(shù)值。

在扭力載荷下的特性試驗(yàn)

根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)造型，刀具接口系統(tǒng)都會(huì)擁有一種各自獨(dú)特的彎曲特性曲線。帶有平整附件(HSK-A、PSC和TS)的系統(tǒng)因其支撐作用，而比不帶平整附件(SK)的系統(tǒng)具有更高的彎曲剛性。前者可通過(guò)提高引入力而使得特性曲線中的直線區(qū)域按比例延長(zhǎng)。但是，彎曲剛性則會(huì)超越引入力而以漸近線的方式趨向最大值，以至于刀具接口上很高的引入力而無(wú)法實(shí)現(xiàn)更大的剛性連接。在實(shí)際工作中，接口系統(tǒng)原則上應(yīng)該在其區(qū)域內(nèi)且在平整附件移動(dòng)之前運(yùn)行。大傾角椎體(SK)的彎曲特性曲線對(duì)引入力沒(méi)有太大的影響。

除了靜力特性之外，轉(zhuǎn)速影響、切削特征和因換刀而導(dǎo)致的接口磨損等方面也將成為工作小組目前和將來(lái)研究的內(nèi)容。