近年來，
CNC多軸控制復(fù)合
切削、高速切削、微細(xì)形狀精密切削以及超精切削技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用引人注目。同時(shí)，與此相適應(yīng)的工具系統(tǒng)技術(shù)也有了顯著進(jìn)步，其特點(diǎn)是：在CNC多軸控制復(fù)合切削、高速切削和高
精度切削中，當(dāng)?shù)毒邞疑炝亢艽髸r(shí)仍具有很高的
剛性及
穩(wěn)定性；在
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，主軸、刀柄和刀具采用一體化設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)
構(gòu)件減至最少，并使其具有優(yōu)良的高速旋轉(zhuǎn)特性。
工具系統(tǒng)發(fā)展的最新動(dòng)向
（1）CNC復(fù)合切削用工具系統(tǒng)
所謂CNC復(fù)合切削，是指綜合應(yīng)用功能各異的
銑刀、鉆頭等旋轉(zhuǎn)刀具以及車刀等
固定刀具完成多種切削任務(wù)。為此，使用的工具系統(tǒng)必須是多功能化的。采用CNC復(fù)合切削技術(shù)及相應(yīng)工具系統(tǒng)加工
模具零件時(shí)，過去要用多道工序才能完成加工，現(xiàn)在只用一道工序就能完成包括深孔在內(nèi)的全部加工作業(yè)，從而大大簡化了工序，提高了加工質(zhì)量。CNC復(fù)合切削用工具系統(tǒng)新產(chǎn)品包括兩類產(chǎn)品，一類是用于旋轉(zhuǎn)刀具的工具系統(tǒng)；另一類是用于非旋轉(zhuǎn)刀具的工具系統(tǒng)，其與主軸的連接結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)刀具用工具系統(tǒng)相同。
目前使用的各種工具系統(tǒng)與主軸連接結(jié)構(gòu)，既有各工具廠獨(dú)創(chuàng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，也有BT、HSK等標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，這就給用戶選用工具系統(tǒng)帶來了麻煩。為方便用戶，2004年秋季，來自
機(jī)床廠、工具廠、工具系統(tǒng)制造廠、用戶和相關(guān)大學(xué)的專家學(xué)者提出了關(guān)于工具系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的提案，建議統(tǒng)一采用正在進(jìn)行國際標(biāo)準(zhǔn)化（ISO）的HSK工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并召開了研討會(huì)，就其標(biāo)準(zhǔn)化問題交換了意見。
另一方面，由于刀具伸出工具系統(tǒng)夾頭的懸伸長度增加，熱裝式工具系統(tǒng)的使用隨之增多。熱裝式工具系統(tǒng)是利用
金屬材料的
熱脹冷縮特性來夾持刀具的工具系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、高轉(zhuǎn)速剛性優(yōu)良、徑跳精度高、容易接近工件等特點(diǎn)。
從發(fā)展趨勢(shì)可以預(yù)測(cè)，隨著CNC復(fù)合切削技術(shù)的推廣應(yīng)用，將對(duì)新型切削刀具和工具系統(tǒng)提出要求，通過刀具、工具系統(tǒng)及機(jī)床等行業(yè)的共同研究開發(fā)，必將出現(xiàn)用于CNC復(fù)合切削的新型工具系統(tǒng)。
（2）高速
銑削用工具系統(tǒng)
在立銑加工中，過去主要使用彈簧夾頭式工具系統(tǒng)，其夾緊方式主要有
螺母壓入式和拉入式兩類。隨著高速立銑加工技術(shù)的普及，
加工中心等
數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速越來越高，亟需與之配套的新型工具系統(tǒng)。為了適應(yīng)高速銑削的需要，對(duì)彈簧夾頭式工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、精度和高速性能進(jìn)行了改進(jìn)。但從與熱裝式工具系統(tǒng)的比較來看，彈簧夾頭式工具系統(tǒng)在高速旋轉(zhuǎn)剛性、徑跳精度和靠近工件性能等方面仍需進(jìn)一步改進(jìn)與提高。
從目前市場(chǎng)銷售的幾種具有代表性的工具系統(tǒng)的特性可知，在高速旋轉(zhuǎn)剛性、徑跳精度和進(jìn)入切削區(qū)性能等方面，熱裝式工具系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此其應(yīng)用正在快速增加。2004年秋季，工具系統(tǒng)制造廠對(duì)加工中心使用的工具系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明熱裝式工具系統(tǒng)的應(yīng)用獨(dú)占鰲頭，倍受青睞。
（3）微型刀具高速精密切削用工具系統(tǒng)
近年來，用直徑φ1mm以下的微型
立銑刀進(jìn)行
銑削加工受到人們的關(guān)注，超高速精密
切削加工中心也隨之誕生。例如，用直徑φ60μm的立銑刀加工邊長100μm、深40μm的正方形凹腔，要求刀具的徑跳精度在幾微米以下，因此要求加工中心、工具系統(tǒng)和加工一體化系統(tǒng)應(yīng)具有極高的動(dòng)態(tài)
剛度及平衡性能。
將立銑刀直接裝夾在加工中心主軸上的夾持方式是確保刀具夾持精度的有效措施，其應(yīng)用將不斷增多。
熱裝式工具系統(tǒng)的可靠性
熱裝式工具系統(tǒng)是將刀柄
加熱使其膨脹后插入刀具，然后使其
冷卻收縮夾緊刀具。由于加熱—冷卻過程反復(fù)循環(huán)，是否會(huì)引起刀柄
金屬組織和
硬度發(fā)生變化而使工具系統(tǒng)性能下降呢？日本山梨縣工業(yè)技術(shù)中心和YS電子工業(yè)（熱裝式工具系統(tǒng)用加熱
設(shè)備制造廠）共同對(duì)熱裝式工具系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了測(cè)試分析，得出了以下結(jié)論：
①對(duì)熱裝刀柄進(jìn)行了1700次加熱—冷卻循環(huán)試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)尺寸精度發(fā)生變化；
②對(duì)各試件的
斷面組織進(jìn)行觀測(cè)，未發(fā)現(xiàn)因加熱—冷卻循環(huán)引起的組織變化；在軸向表面有因拔出刀具而引起的
磨損痕跡，但無
裂紋；
③對(duì)刀柄斷面硬度的檢測(cè)結(jié)果表明，在距外表面20μm以下的范圍硬度略有降低（約100HV），但未發(fā)現(xiàn)因加熱—冷卻循環(huán)次數(shù)不同而引起硬度分布的變化；
④在完成加熱—冷卻循環(huán)試驗(yàn)后，用壓入試驗(yàn)機(jī)測(cè)量了刀柄的夾緊力，即使增加了試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)，也未發(fā)現(xiàn)夾緊發(fā)生變化。
熱裝式工具系統(tǒng)和高頻感應(yīng)加熱法
熱裝式工具系統(tǒng)是將夾持刀具部位加熱到約300℃使其膨脹，然后將刀具柄部插入進(jìn)行冷卻，通過被加熱刀柄的冷卻收縮夾緊刀具，為此需要配備相應(yīng)的加熱設(shè)備。
現(xiàn)有的熱裝設(shè)備有熱風(fēng)式和感應(yīng)加熱式兩大類。熱風(fēng)式價(jià)格最低，使用也最多，但缺點(diǎn)是熱效率低、加熱時(shí)間長；感應(yīng)加熱式的加熱時(shí)間短，頻率分為50kHz以下和2MHz以上兩類。在歐洲地區(qū)，50kHz以下和40kHz以上的感應(yīng)加熱裝置較為普及。日本市場(chǎng)也有50kHz以下頻率的加熱裝置銷售。同時(shí)，日本也在開發(fā)1MHz以上的高頻加熱裝置。
表1不同加熱方式的熱裝設(shè)備比較
加熱方式－價(jià)格－適用范圍
熱風(fēng)加熱－20~80萬日元－僅適用于φ20以上
不銹鋼，不適用于工具鋼
25kHz感應(yīng)加熱1H（15kW）－約600萬日元－適用于φ6以上不銹鋼和工具鋼，不適用于φ6以下規(guī)格
高頻感應(yīng)加熱1H（10kW）－約500萬日元－適用于不銹鋼和工具鋼
高頻感應(yīng)加熱1H（1kW）－約200萬日元－適用于φ12及以下不銹鋼和工具鋼，不適用于φ12以上規(guī)格
與熱風(fēng)加熱式熱裝比較，用1kW感應(yīng)加熱裝置進(jìn)行非磁性刀柄熱裝可大幅度縮短加熱時(shí)間。用1MHz以上的高頻加熱方式，不僅電能消耗和初次成本低，而且最適合應(yīng)用于非磁性金屬材料（如不銹鋼和鈦等）的小直徑刀具。該裝置的電源部分能實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，在原理上采用了轉(zhuǎn)換信噪比很低的電路，具有高頻轉(zhuǎn)換效率高（約98%）、節(jié)能、小型化和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。
熱裝式換刀的自動(dòng)化
一般的換刀自動(dòng)化程序如下：
(1)用手工作業(yè)將刀具裝夾在工具系統(tǒng)上，然后在刀具預(yù)調(diào)儀上確認(rèn)刀具切削刃部分的徑跳精度；
(2)用手工作業(yè)將裝夾在工具系統(tǒng)上、經(jīng)檢測(cè)確認(rèn)精度合格的刀具裝進(jìn)加工中心等CNC機(jī)床的刀庫；
(3)按照輸入CNC機(jī)床的NC程序指令，自動(dòng)從刀庫取出裝好刀具的工具系統(tǒng)裝在機(jī)床主軸上；
(4)完成切削加工后，刀具按照NC程序指令自動(dòng)脫離主軸放回刀庫；
(5)用手工作業(yè)將使用過的刀具從刀庫取出放回工具室，并將刀具從工具系統(tǒng)卸下分類保管。
隨著高速、精密、自動(dòng)化切削加工的迅速發(fā)展，對(duì)刀具的徑跳精度、高轉(zhuǎn)速剛性的要求已達(dá)到數(shù)微米。為此研究開發(fā)了能夠滿足精度和剛性要求的熱裝式刀具自動(dòng)裝卸（換刀）裝置，這是一種能實(shí)現(xiàn)刀具和刀柄自動(dòng)裝卸及測(cè)量的完善系統(tǒng)。系統(tǒng)由包括刀具庫、刀柄庫、刀具和刀柄安裝部件庫以及裝卸刀具和刀柄用的感應(yīng)加熱裝置組成的單元、傳送單元和CNC控制單元構(gòu)成。將立銑刀等刀具自動(dòng)安裝在刀柄上的單元是其核心部分，刀具的插入間隙應(yīng)控制在幾微米以內(nèi)。采用吸入壓出技術(shù)，在刀柄的刀具插入部位進(jìn)行局部加熱（高頻感應(yīng)加熱）后，由空氣將刀具吸入其內(nèi)，冷卻夾緊，完成加工后刀具則被NC調(diào)節(jié)桿頂出。NC調(diào)節(jié)桿具有刀具預(yù)調(diào)、卸刀時(shí)頂出刀具、Z向調(diào)整和確認(rèn)工具系統(tǒng)夾持狀態(tài)等多種功能。
該系統(tǒng)配備了確認(rèn)刀具和刀柄裝配狀況的非接觸式自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，還可以事先校核由NC程序指令指定的適用刀具。利用自動(dòng)傳輸功能，可將由刀具和刀柄組成的工具系統(tǒng)安裝在加工中心等CNC機(jī)床的刀庫上，這樣就能實(shí)現(xiàn)長時(shí)間穩(wěn)定自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的高速、高精度切削加工。
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