刀柄是确保加工生产率的重要环节
2019-11-28 来源：山高 作者： Yves Heitz 刀柄系统产品经理
上海, 2019 年 11 月 - 精密的机床配合先进的切削刀具可提供出色的金属切削生产率。而刀柄作为切削刀具和机床主轴之间的关键性接口，对于实现高生产率至关重要。刀具制造商提供多种刀柄类型，每种类型的刀柄在特定加工应用中都具有最佳性能。因此，加工车间应根据其特定工序以及生产的零件选择刀柄。然而，虽然车间希望采用最先进的机床技术和切削刀具材料，但对于选择、应用和维护最适合其特定生产需求的刀柄，他们通常并不重视。
所有刀柄都不尽相同
没有一个刀柄系统是万能的。专为高速精加工工序而打造的刀柄通常会缺乏高效加工所需的刚性和强度，例如，粗加工毛坯铸件。相反，用于粗加工的刀柄通常会缺乏动平衡性，这种动平衡性能够使刀柄在精加工工序中高速平稳运行。此外，粗加工刀柄的粗壮设计和大体积可能会限制其够到较精细或较深的零件特征。而难加工材料需要具有增强强度和刚性的刀柄。此外，刀柄的减振能力以及冷却液输送能力也是重要的选择标准。
使用不合适的刀柄会导致尺寸误差和零件报废，以及机床主轴过度磨损、刀具寿命缩短和刀具断裂风险增加。在非关键性作业中，物美价廉的刀柄可能会产生令人满意的结果。但是，在必须获得可重复精度的工序中，尤其是在昂贵工件报废会降低零件的利润率时，投资以应用为中心的高质量刀柄可以以较低的成本防范此类意外损失。
某些车间经理可能认为在各种应用中使用长型刀柄可以有效节约成本。然而，尽可能使用最短的刀柄将最大限度地提高刚性，减少导致表面质量下降的振动并保持刀具寿命。
刀柄占总生产成本不到 2%。即使将刀柄成本减半，对总生产成本也只是微不足道的节省，而工件报废或刀具断裂对成本有重大影响。优质刀具和刀柄可提高金属切削生产率，从而立即获得刀具投资回报。尤其是在航空航天零部件制造等对加工工艺稳定性要求极为严格的行业中，许多制造商都将重点放在购买优质刀具上，以避免生产出有缺陷的零件或是将时间浪费在故障排除和生产中断上。航空航天制造商通常要花较长时间来验证新的刀柄概念，然后才能进行生产认证。
工件因素影响刀柄选择
影响刀柄选择的因素包括每个作业中工件材料的可加工性以及最终零件的配置，这些因素可确定到达特定轮廓或特征所需的刀柄尺寸。刀柄应尽可能简单且易于使用，以尽量减少操作员出错的可能性。
无论采用哪种刀柄技术，机床的刚性、主轴功率和产生严格公差的能力将决定什么工序是可行的。例如，在磨损的机床上尝试产生微米级公差就不切实际。
机床的基本构件起着关键作用 — 具有线性导轨的快速机床将充分利用专为高速应用而设计的刀柄，而具有箱型槽的机床则为重载加工提供支持。多任务机床可同时完成车削和铣削/钻削工序。
也可以根据加工策略选择刀柄。例如，为了在高速切削 (HSC) 工序中或在高性能切削 (HPC) 应用中最大限度地提高生产率，车间会选用不同的刀具，前者涉及较浅的切削深度，后者重点关注在功率充足但速度有限的机床上产生较高的金属切除率。
较低的可重复径向跳动有助于确保恒定的刀具啮合量，从而减少振动并最大限度地延长刀具寿命。平衡至关重要，高质量刀柄应在 G2,5-25000 rpm 质量 (1 g.mm) 下达到精密动平衡。加工车间可以根据实际情况，或咨询刀具供应商，确定能够以经济高效的方式满足其生产需求的刀柄系统。
每种刀柄都有自己的细分市场
无论是简单的侧固式、夹套式、热缩式、机械式还是液压式，刀柄都应符合特定的工序要求。例如，用于侧固柄刀具的简单立铣刀刀柄坚固、易于使用，可传输高扭矩，并提供安全和坚固的夹紧功能，具有强大的防拉拔作用。这类刀柄非常适合重载粗加工，但缺少精确的同心度。通常，它们本质上是不平衡的，不能有效地应用于使用高转速的应用。
弹簧夹头和可互换夹套是最常用的圆形刀柄技术。经济高效的 ER 式提供各种尺寸，并提供足够的夹持力，以实现可靠的轻铣削和钻削工序。高精度 ER 夹套式刀柄具有较低的径向跳动（在刀尖处 < 5μm）和可平衡用于高速工序的对称设计，而加强型则可用于重载加工。ER 刀柄便于快速转换，可适应各种刀具直径。热胀刀柄可提供强大的夹紧力，在 3xD 处具有 3 μm 的同心度，且具有极佳的动平衡质量。小巧的刀柄设计可以很好地够到棘手的零件特征。
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增强型刀柄可进行中等至重载铣削，但夹持力取决于刀杆和刀柄的内径公差。热胀式刀具需要购买特殊加热装置，加热/冷却过程比简单地切换夹套需要更多的安装时间。
机械铣削夹头通过多排滚针轴承提供强大的夹持力和高径向刚性。该设计可实现重载铣削和快速换刀，但跳动量可能大于夹套系统。机械夹头的尺寸通常大于其他刀柄类型，这可能会限制刀具够到某些零件特征。
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与机械夹头相比，使用油压产生夹紧力的液压夹头具有更少的内部构件，因此外形相对更纤细。液压夹头的径向跳动较低，在高主轴转速下可有效地进行扩孔、钻孔和轻铣削，但对大径向负载敏感。
与刀柄如何固定切削刀具同样重要的，是如何将刀柄安装到机床主轴上。刀柄的主轴或锥形端决定了扭矩传递能力及刀具对中精度。传统 BT、DIN 和 CAT 刀柄锥度适用于较小的机床，但在高速加工方面可能会受到限制。与刀柄锥面和端面双面接触的型号可提供更高的刚性和精度，尤其是在大悬伸情况下。可靠传递更大的扭矩需要更大的锥度尺寸。例如，HSK-E32 刀柄不能在重载加工中替代 HSK-A125A。
刀柄锥度形式的选择通常因地区而异。二十世纪九十年代中期，5 轴机床越来越受欢迎，HSK 正是在这期间开始在德国涌现。CAT 刀柄主要用于美国，而在亚洲，BT 刀柄非常受欢迎，并且经常为锥面/端面双面接触的型号。
HSK 常用于 5 轴加工。PSC（多边形夹紧系统：Capto）和 KM 连接主要用于多任务机床，采用 ISO 标准。KM和 Capto 都是模块化系统，允许通过组合接长杆或缩径杆以装配特定长度的刀具。随着多任务机床越来越普遍，能够在一次装夹中实现车、铣、钻等加工类型的刀柄越来越受欢迎。
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尽管专用的刀柄系统具备出色性能，但车间必须计算盈利性。来自单一供应商的专用系统往往成本较高，并且刀具的选择余地有限。
成本和其他注意事项
虽然液压式或机械式刀柄的基本成本比夹套式或热胀式刀柄的基本成本更高，但后者还牵涉到其他因素，例如热胀加热系统的费用，以及更换刀具所需的时间。此外，每个刀具直径还需要有相应的热胀式刀柄，相对而言，在弹簧夹头刀柄系统中只需切换夹套即可适应不同的直径。
机床操作员和刀具维护人员务必需要正确使用刀柄。与机床和其他制造设备一样，刀柄需要正确使用和维护，以最大限度地发挥其优势及潜能。例如，操作员必须将刀杆完全插入刀柄中，如果插入不当会导致刀具出现准确性尽失的振动状况甚至弹出。遵循刀具装配规范至关重要。在拧紧夹头时，操作员不得使用加长手柄来施加过大的扭矩，这会扭曲夹套并导致刀具错位。
刀具维护也很重要，但这点通常被忽略。操作员应始终清洁刀柄后再使用，也应检查机床主轴。刀柄应存放在清洁干燥的地方，并用盖子保护刀具锥面。应定期检查液压夹头的油液压力。
总结
加工车间必须重视刀柄在加工系统中的重要性，并了解如何将正确的刀柄与特定机床、加工策略和工件正确匹配来提高生产率和降低成本。同时，刀柄制造商提供全面的刀柄选择（参见附注），旨在满足个性化的工艺需求。
未来的技术改进将不再局限于刀柄本身。使用软件和 RFID 标签进行刀具管理是基于数据的制造的一个要素，并且正在变得越来越普遍。刀柄技术的进步包括配备传感器的刀柄，可实时监控刀柄上的力。所收集的数据允许操作员在加工过程中对加工参数进行调整，甚至可以通过与机器控制单元连接的人工智能 (AI) 自动调整。这些技术和其他新技术将进一步增加刀柄在加工工序中的生产贡献值。
（附注）
满足各种需求的刀柄
多年来，山高刀具在不断扩展刀柄系列，以满足特定的客户需求。2000 年，山高刀具收购了法国刀柄系统公司 EPB，该公司在刀柄、镗头和减振刀柄的设计和制造方面经验丰富，由此山高刀具能够提供多种专为处理特殊加工应用而设计的刀柄。
例如，山高刀具提供不同的热胀刀柄类型，有多种长度和头部外形。HD 型热胀刀柄专为重载粗加工而设计，而 DIN型 热胀刀柄则是对质量有很高要求的高速切削工序中半精和精加工的首选。M&D（模具）型热胀刀柄设计用于深腔中的半精和精加工，常见于模具和航空航天制造业。
此外，山高刀具还提供 ER 和 HP 弹簧夹头。ER 夹头通用性好并且很受欢迎，一种规格的夹头通过安装不同尺寸的弹簧夹套可以允许用户夹持一系列直径的刀具。HP 弹簧夹头设计用于在高速精加工和轻载粗加工应用中保证良好的工件表面质量。刀柄具有减振效果，可减少一定的加工振动，并且刀具断裂造成的影响较小，因为只需更换夹套和刀具即可立即恢复加工。
对于重载加工，山高刀具的预平衡强力铣削夹头具有较高的金属切除率，并且可替代热胀式或侧固式刀柄。这类夹头易于操作，并且可使用缩径套固定不同的刀具直径。此外，液压膨胀夹头还通过膨胀套筒提供了刀柄的多功能性，在 3xD 处具有小于 5 μm 的径向跳动，并且经过精细平衡，适用于高速切削应用。整体式储油罐充当减振剂，有助于优化表面质量。
山高的销售工程师对刀柄特性、功能和应用非常了解，区域技术专家也全力提供支持。经验丰富的专业技术支持可帮助客户选择最适合其特定零件、设备和加工策略的刀柄。山高产品样本还提供详细的技术指南，帮助用户做出最具生产力和成本效益的选择。
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