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刀具接口對加工流程的質(zhì)量有著非常重要的影響

作為機床和刀具之間的直接連接環(huán)節(jié)，刀具接口會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力矩，可以通過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，對接口系統(tǒng)具有很高的機械剛性要求。

由于主軸技術(shù)的進一步發(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。除了適應(yīng)全自動換刀的要求之外，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。

通過對可適應(yīng)各種機床設(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)均成為了測定彎曲性能的靜態(tài)試驗的焦點。

圖1 帶有平整附件的刀具接口的彎曲特性曲線

針對靜態(tài)試驗的模塊化試驗臺

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

引入力(即通過裝卡系統(tǒng)向刀具所施加的軸向力)是影響刀具接口性能的一個直接影響因素。為了向所試驗的接口系統(tǒng)施加這個給定力，對試驗使用了一些特殊的參照裝卡系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特殊性在于可對作用在刀具上的軸向力進行準(zhǔn)確測量。對此，在沒有強化機械力的情況下，即可實施裝卡組合。通過一個螺母向拉桿施加的力，在沒有其他常見機械強化措施的條件下，被直接引向刀具上，并由膨脹測量條測得。為了獲得最大的可對比性，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力度可調(diào)節(jié)的液壓油缸來生成。為了測量刀具與刀柄之間的相對傾角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傾角α。載荷循環(huán)連續(xù)進行，直至彎曲力矩達到1000?N·m為止，然后再進行卸載。這個過程進行五次，以便產(chǎn)生各個彎曲特性曲線。

為了實現(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的影響。所采用的刀具具有最大或最小的錐體直徑(在各個標(biāo)準(zhǔn)的公差范圍之內(nèi))和指定的幾何外形。從四個交錯90°的位置上向刀具尖鋒傳遞載荷，以便探測可能存在的不對稱性。對于引入力、載荷方向和刀具的每一種組合，都可測得兩條彎曲特性曲線。因此，每個引入力都有24條彎曲特性曲線，而每條特性曲線則由五個載荷循環(huán)構(gòu)成。此類特性曲線以靜態(tài)方式測得，第一個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算中去。

每個引入力可測得24條彎曲特性曲線

對于帶有平整附件的刀具接口來說，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一個支撐力矩而被測得。在這個區(qū)域內(nèi)，所給出的彎曲剛性kB是一個特征數(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。這個直線區(qū)域的終點被視為是臨界彎曲力矩MB，krit。從該點開始，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受力。隨著載荷增加而逐漸減小的平整附件接觸面會使得特性曲線逐漸呈現(xiàn)折彎現(xiàn)象。在所謂的過渡區(qū)域之后，接觸狀況沒有太大的變化，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整體剛性有著顯著的影響。考慮到對高度剛性的要求，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

第三個常規(guī)特征值被視為是移動力矩(MAb)。這個特征值是由一個彎曲剛性直線與另外一條彎曲剛性直線的切合點來定義的。在平整附件被移動之后，第二條直線接近于幾乎是直線的區(qū)域(圖2)。通過這種定義，尤其是在移動平整附件之后，通過一條直線貫穿該區(qū)域的設(shè)計，特征值MAb擁有很強的對裝卡系統(tǒng)和椎體的剛性的依賴性。但是，平整附件移動的實際點卻不依賴于此。因此MAb與實際移動并沒有明顯的關(guān)聯(lián)性，它被標(biāo)識為移動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HSK-A 63和SK 40型接口彎曲特性曲線的影響。除了相對傾角之外，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)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椎體連接件被吸收。通過高達1000?N·m檢測力矩，特性曲線幾乎呈現(xiàn)為直線，并且相對無遲滯。

引入力對彎曲特性曲線的影響

引入力的加大并不會對彎曲特性產(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支撐。類似于一種螺栓連接，該系統(tǒng)由引入力進行預(yù)夾持。引入的力越大，平整附件的移動就越遲。線性區(qū)域的長度與引入力幾乎呈現(xiàn)正比例關(guān)系。

當(dāng)引入力上升時，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的影響下，達到一個最大值并由此達到一種飽和。從這點開始，引入力的繼續(xù)增大不會導(dǎo)致彎曲剛性的進一步提高。

為了客觀觀察所試驗的標(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。在對所使用的裝卡系統(tǒng)依賴性很大的平整附件移動之后，其特性曲線區(qū)域并未在接口直接對比中得到觀察。對沒有力的放大情況下的基準(zhǔn)裝卡系統(tǒng)對比，在上部曲線圖里是在引入力為30?kN條件下進行的，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，這是因為平整附件的支撐是至關(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HSK-A 63型系統(tǒng)的引入力為18?kN，而針對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彎曲特性曲線進行對比的話，HSK平整附件從主軸上開始移動的時間則會提前。與PSC相比，這表現(xiàn)為一個更小的MB，krit。

相對于基準(zhǔn)裝卡系統(tǒng)來說，市場上常見的裝卡系統(tǒng)在其夾具上往往會出現(xiàn)力的增強的現(xiàn)象。由此可以改變力導(dǎo)入刀具的方式，同時裝卡系統(tǒng)的軸向剛性會因方式和制造廠商不同而有差異。此外，引入力無法得到很精確的測定或測量。圖4對所用的基準(zhǔn)裝卡系統(tǒng)(統(tǒng)一的主軸模型、無力放大的裝卡系統(tǒng)和特定加工的刀具)彎曲特性曲線與若干市面常見的系統(tǒng)進行對比。

圖4 基準(zhǔn)裝卡系統(tǒng)和常見的裝卡系統(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TS系統(tǒng)，給出了一個從36～58?kN的階差。而針對對比工作，可選擇一個48?kN的引入力。在實際工作中，所有系統(tǒng)出現(xiàn)的引入力會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，并不可能運行每一個刀具接口系統(tǒng)和每一個引入力。由于TS系統(tǒng)的球體裝卡機理具有一定的局限性，因此無法實現(xiàn)基于非力放大型的基準(zhǔn)裝卡系統(tǒng)的試驗。試驗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)引入力的測定也不夠準(zhǔn)確，因此，在試驗結(jié)果中存在著一定程度的彎曲剛性和線性范圍長度的離散。從圖4(下方)可以看出，所試驗的帶有平整附件(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

根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)造型，刀具接口系統(tǒng)都會擁有一種各自獨特的彎曲特性曲線。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。前者可通過提高引入力而使得特性曲線中的直線區(qū)域按比例延長。但是，彎曲剛性則會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法實現(xiàn)更大的剛性連接。在實際工作中，接口系統(tǒng)原則上應(yīng)該在其區(qū)域內(nèi)且在平整附件移動之前運行。大傾角椎體(SK)的彎曲特性曲線對引入力沒有太大的影響。

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研究的內(nèi)容。