木工铣刀装夹技术与方法
曹平祥 郭晓磊
(南京林业大学木材工业学院&＃xff0c;南京 210037)
1 概述
随着木工刀具相关联的技术装备和工件材料的发展&＃xff0c;对木工刀具的要求也越来越高&＃xff0c;具体表现为&＃xff1a;(1)刀具制造精度高&＃xff1b;(2)刀具装夹迅速&＃xff1b;(3)安装及定位精度高&＃xff1b;(4)刀具耐用度长&＃xff1b;(5)切削方式优化&＃xff1b;(6)刀具工位的分配合理&＃xff1b;(7)噪声低&＃xff1b;(8)排屑效果好。在满足刀具制造精度的前提下&＃xff0c;刀具装夹技术与方法直接影响设备操作性、使用效率、运行安全、切削精度和工件表面粗糙度。因此&＃xff0c;刀具装夹是设备与刀具设计、制造过程中必须考虑的重要环节。总体而言&＃xff0c;木工刀具装夹方法与技术必须满足以下要求&＃xff1a;1)装夹牢固&＃xff0c;安全可靠&＃xff1b;2)安装及拆卸方便快捷&＃xff1b;3)装夹精度高&＃xff1b;4)定位及重复定位精度高&＃xff1b;5)使用寿命长。
鉴于木工刀具结构类型多&＃xff0c;装夹技术与方法也很多。按刀具类型分为:(1)套装铣刀装夹&＃xff1b;(2) 柄铣刀装夹&＃xff1b;(3)钻头装夹&＃xff1b;(4)圆锯片装夹。按施力方法分为&＃xff1a;(1)螺母/螺钉&＃xff1b;(2)液压&＃xff1b;(3)热变形装夹&＃xff1b;(4)三点机械变形装夹。按装夹结构类型分为:(1)螺母装夹&＃xff1b;(2)液压轴套装夹&＃xff1b;(3)专用轴套装夹&＃xff1b;(4)卡套装夹。
鉴于篇幅要求&＃xff0c;笔者对套装铣刀和柄铣刀的主要装夹技术与方法进行介绍。
2 套装铣刀装夹
套装铣刀是刀体中心具有安装孔&＃xff0c;通过螺钉、螺母或轴套等附件装夹在刀轴上的铣刀。
2.1 螺母装夹
螺母装夹&＃xff0c;如图1所示&＃xff0c;主要用于单轴铣床、四面刨床等木工机械上。刀具5通过螺母1、垫圈2和轴套3安装在刀轴4上&＃xff0c;在高速回转过程中切削工件6。刀轴4的轴端有螺纹M33×1.5及止动端&＃xff0c;专用套筒扳手两内孔与之配合&＃xff0c;实现刀具的装拆。根据刀具旋转方向&＃xff0c;轴端螺纹有左右之分&＃xff0c;螺纹旋向与刀具旋转方向相反。当刀具旋转方向需要与刀轴的轴端螺纹一致时&＃xff0c;需要采用专用的防松螺母1及垫圈2。
刀轴与刀具内孔的配合通常采用&＃xff1a; 。存在一定的配合间隙&＃xff0c;不能保证刀具内孔中心线与刀轴中心线一致&＃xff0c;刀具所有刀齿不在同一切削圆上&＃xff0c;工件表面的运动波纹长度不是每齿进给量&＃xff0c;而是每转进给量。在这种情形下&＃xff0c;刀具的齿数&＃xff0c;与工件表面的运动波纹长度没有关系。因此&＃xff0c;螺母装夹只能用于进给速度低的机床上&＃xff0c;进给速度一般不得超过30m/min。
2.2 液压夹紧
液压夹紧套的内部有一空腔&＃xff0c;充满了液压油或油脂。施压时&＃xff0c;液压轴套内壁膨胀&＃xff0c;均匀地包紧刀轴&＃xff0c;完全消除了刀具和刀轴的配合间隙&＃xff0c;保证了刀具回转中心和刀具旋转轴线一致&＃xff0c;减小了刀齿的径向跳动&＃xff0c;保证所有刀齿均衡参加切削。液压夹紧轴套具有如下优点&＃xff1a;
1) 减小刀具振动&＃xff0c;降低轴承磨损&＃xff0c;延长轴承使用寿命&＃xff1b;
2) 降低切削平面木材的破坏不平度和运动波纹&＃xff0c;提高了工件表面的加工质量;
3) 延长了刀具的使用寿命&＃xff1b;
4) 刀具装卸方便&＃xff0c;缩短换刀和停机时间&＃xff1b;
5) 夹紧精度的重复性很高&＃xff0c;安全可靠。
液压夹紧轴套需要应用在不同类型设备的刀轴上&＃xff0c;用来装夹不同结构的刀具&＃xff0c;具有不同结构的液压夹紧轴套。根据施压介质&＃xff0c;液压夹紧轴套分为开放式的和封闭式的。根据装刀数量&＃xff0c;液压夹紧轴套分为单片刀、双片刀和三片刀方式。根据施压螺钉的位置&＃xff0c;液压夹紧轴套分为侧向加压和轴向加压。开放式液压夹紧轴套采用油脂施压&＃xff1b;封闭式液压夹紧套采用液压油施压。当加工单面截形的工件时&＃xff0c;一片刀就能完成工件廓形的切削&＃xff0c;应采用单片刀的液压夹紧轴套&＃xff1b;当加工双面截形的工件时&＃xff0c;需要采用两片或两片以上的组合刀具&＃xff0c;使用双片刀的或三片刀的液压夹紧轴套。组合刀具安装在一个液压夹紧轴套上&＃xff0c;应满足刀具在重磨之后能方便调节各片刀具之间轴向距离的需要&＃xff0c;以保证工件的廓形不变。
图 3 组合铣刀专用轴套装夹
图2所示的为液压装夹的两片组合铣刀&＃xff0c;它由液压轴套4、刀具8、固定螺钉5、施压螺钉6、销钉10、碟形弹簧11、挡块13、罗盘14和锁紧螺钉15等零件组成&＃xff0c;通过压紧端盖1和内六角螺钉2安装在刀轴3上。通过扳手7&＃xff0c;松开锁紧螺钉6和15&＃xff0c;就能转动罗盘14&＃xff0c;挡块13带动刀具上、下移动&＃xff0c;达到调节两片刀具之间轴向距离的目的。刀具调节完毕之后&＃xff0c;拧紧施压螺钉6&＃xff0c;轴套4的内腔12变形膨胀&＃xff0c;消除了刀轴与液压轴套内孔的配合间隙。当设备进给速度大于30m/min&＃xff0c;应该采用液压夹紧轴套。
2.3 专用轴套装夹
设备刀轴结构形式多种多样&＃xff0c;简单的刀轴&＃xff0c;如单轴立铣的刀轴&＃xff0c;铣刀可以采用螺母装夹&＃xff1b;结构复杂的刀轴&＃xff0c;如实木窗CNC加工中心的刀轴&＃xff0c;铣刀需要借助专用轴套实现装夹。
2.3.1 组合铣刀专用轴套
组合铣刀专用轴套主要用于高精度轴向定位的组合铣刀&＃xff0c;如图3所示的实木窗组合铣刀&＃xff0c;相邻两片铣刀采用垫片3调节。轴套1及刀体5上加工定位孔&＃xff0c;通过螺钉7及端盖4将数片铣刀固定在轴套1上&＃xff0c;轴套1与铣刀5、6组为一体。轴套端部分别有键槽及平键2&＃xff0c;相互配合。轴套下端面为刀具安装基准&＃xff0c;与工件下表面之间的距离不变&＃xff0c;通常为10mm。在实木窗CNC加工中心上&＃xff0c;一根刀轴上需要安装4&＃xff5e;8套组合铣刀&＃xff0c;组合铣刀上、下位置精确定位十分重要。为了满足这个要求&＃xff0c;实木窗刀具专用轴套装夹高度不变&＃xff0c;通常为80mm(轴套下端面与平键2上表面的距离)。
2.3.2 划线锯专用轴套
该专用轴套用于双端铣下水平马达刀轴上&＃xff0c;装夹高精度定位的划线锯&＃xff0c;如图4所示&＃xff0c;划线锯转速为3000r/min。
划线锯7通过螺钉6(6×M6)固定在专用轴套5上&＃xff0c;专用轴套5通过端盖2、嵌套1和内六角螺钉3(双螺纹M16&＃xff0c;M12)装夹在马达刀轴4上。刀轴4与专用轴套5的配合为φ30H7/g6&＃xff0c;刀轴直径为φ30g6mm&＃xff0c;键为8×7&＃xff0c;轴套的孔径为φ30H7。划线锯内孔直径为φ65H7mm, 与划线锯内孔配合轴的直径为φ65g6mm。
当划线锯磨损变钝之后需要刃磨时&＃xff0c;只需要拆卸6只螺钉6&＃xff0c;划线锯7便可从专用轴套5上卸下。专用轴套可以反复使用&＃xff0c;一旦划线锯报废&＃xff0c;仅需要将新的划线锯安装在专用轴套上便可。
由于采用双螺纹螺钉的轴端固定方式&＃xff0c;因此&＃xff0c;可以根据需要在轴套上装夹顺锯或逆锯的划线锯。
2.3.3 粉碎锯专用轴套
用于高精度定位的划线锯&＃xff0c;如双端铣上水平刀轴。转速为3000r/min。
刀轴与轴套的配合为φ35H7/g6&＃xff0c;刀轴直径为φ35g6&＃xff0c;键为10×8&＃xff0c;轴套的孔径为φ35H7。
划线锯通过螺钉固定在专用轴套上&＃xff0c;螺钉为8×M8, 螺钉孔中心圆直径φ100mm。轴套可以反复使用。
粉碎刀内孔直径为φ80H7, 与粉碎刀内孔配合轴的直径为φ80g6。
刀具通过内六角螺钉、压紧端盖及专用垫圈固定在刀轴上, 内六角螺钉为双螺纹 (M20&＃xff0c;M16)。
该专用轴套用于双端铣上水平马达刀轴上&＃xff0c;装夹高精度定位的粉碎刀&＃xff0c;如图5所示&＃xff0c;粉碎刀转速为3000r/min或6000r/min。
粉碎刀6、7、8通过螺钉5(8×M8)固定在专用轴套9上&＃xff0c;专用轴套9通过端盖4和内六角螺钉3(双螺纹M16&＃xff0c;M20)装夹在马达刀轴2上。刀轴2与专用轴套9的配合为φ35H7/g6&＃xff0c;刀轴直径为φ35g6&＃xff0c;键为10×8&＃xff0c;轴套的孔径为φ35H7。粉碎刀内孔直径为φ80H7, 与粉碎刀内孔配合轴的直径为φ80g6。
当粉碎刀磨损变钝之后需要刃磨时&＃xff0c;只需要拆卸8只螺钉5&＃xff0c;粉碎刀6、7、8便可从专用轴套9上卸下。专用轴套可以反复使用&＃xff0c;一旦粉碎刀报废&＃xff0c;仅需要将新的粉碎刀安装在专用轴套上便可。
由于采用双螺纹螺钉的轴端固定方式&＃xff0c;因此&＃xff0c;可以根据需要在轴套上装夹顺锯或逆锯的粉碎刀。
2.4 HSK套装铣刀装夹
HSK装夹卡套是德国阿亨(Ächen)工业大学机床研究所在20世纪90年代初开发的一种双面刀具装夹技术。HSK卡套已于1996年列入德国DIN标准&＃xff0c;并于2001年12月成为国际标准ISO12164&＃xff0c;主要应用于CNC加工中心的柄铣刀装夹&＃xff0c;实现自动换刀。为了满足套装铣刀自动换刀要求&＃xff0c;近几年来HSK装夹技术开始应用于高速四面刨、双端铣等木工机械上&＃xff0c;图6所示的是直接装夹马达刀轴HSK F63装夹的套装铣刀。
HSK锥形装夹是通过卡套的锥形内孔及与之配合的锥形刀轴&＃xff0c;在夹紧力的作用下&＃xff0c;其端面和锥面同时被夹紧的装夹技术&＃xff0c;如图7所示。HSK字母含义如下&＃xff1a; H——中空(Hollow/Hohl)&＃xff1b;S—— 轴(Shaft/Schaft)&＃xff1b;K——锥形(Cone/Kegel)&＃xff0c;锥度为1&＃xff1a;10
HSK中空锥形卡套有A、C、E、B、D和F结构类型&＃xff0c;木工刀具采用HSK F 63系列&＃xff0c;63表示锥面最大直径为63mm。
HSK中空锥形卡套得工作原理是&＃xff1a;拉杆在外力作用下移动&＃xff0c;使得夹爪张开嵌入HSK卡套内孔&＃xff0c;带动HSK卡套一起朝主轴移动&＃xff0c;直到主轴和HSK卡套的锥面、端面同时接触和夹紧为止。换刀时&＃xff0c;拉杆在外力作用下反方向移动&＃xff0c;夹爪松开&＃xff0c;主轴与卡套便可分离。
HSK卡套具有下列特点&＃xff1a;
1)有效地提高了铣刀与机床主轴的结合刚度。由于采用锥面、端面过定位的结合形式&＃xff0c;使卡套与主轴的有效接触面积增大&＃xff0c;并从径向和轴向进行双面定位&＃xff0c;从而大大提高了刀柄与主轴的结合刚度。
2)具有较高的重复定位精度&＃xff0c;并且自动换刀动作快&＃xff0c;有利于实现ATC(automatic Tool Change)的高速化。
3)具有良好的高速锁紧性。卡套与主轴间由弹性扩张爪锁紧&＃xff0c;转速越高&＃xff0c;扩张爪的离心力越大&＃xff0c;锁紧力越大&＃xff0c;高速锁紧性越好。
3 柄铣刀装夹
柄铣刀除了切削部分和刀体部分之外&＃xff0c;还有供装夹用的柄部&＃xff0c;主要用于镂铣机和CNC加工中心。柄铣刀主要有以下装夹方法&＃xff1a;1)螺母、卡簧装夹&＃xff1b;2)液压装夹&＃xff1b;
3)锥形卡套SK装夹&＃xff1b;4)中空锥形卡套HSK装夹&＃xff1b;5)热变形装夹&＃xff1b;6)三点机械变形装夹。
镂铣机的柄铣刀主要采用螺母、卡簧装夹&＃xff0c;CNC加工中心的柄铣刀采用装刀卡套(锥形卡套SK或中空锥形卡套HSK)装夹。CNC加工中心卡套装夹柄铣刀主要方法图8所示。下面介绍几种常用的柄铣刀装夹方法。
3.1 锥形卡套SK装夹
CNC加工中心的主轴锥孔分为两大类: 锥度为7:24的SK系统和1:10的HSK系统。
锥度为7:24的通用卡套通常有五种标准和规格&＃xff0c;即NT(传统型)、DIN 69871(德国标准)、IS0 7388/1 (国际标准) 、MAS BT(日本标准)以及NSI/ASME(美国标准)。锥形卡套SK是德国标准DIN 69871的柄部代号。
SK卡套是靠卡套7:24锥面与机床主轴孔的7:24锥面接触定位的&＃xff0c;通过卡套尾部的螺钉将卡套拉紧连接的。因此&＃xff0c;与HSK相比&＃xff0c;存在动态特性差、连接刚性低和重合精度低等不足。SK卡套分为SK30、SK40及SK50。
SK卡套组成由7:24锥面卡套、螺母、卡簧和尾部螺钉组成。螺母有左、右旋之分&＃xff0c;方向与刀具旋转方向相反。卡簧内径比刀具的柄部直径大0.5mm&＃xff0c;便于刀具装入卡簧内孔。拧紧螺母&＃xff0c;卡簧变形&＃xff0c;内径变小&＃xff0c;夹紧柄铣刀。
对于直径较大的柄铣刀&＃xff0c;通常设计成两部分&＃xff1a;套装铣刀与套装刀柄。套装铣刀通过端盖及螺钉固定在套装刀柄上&＃xff0c;刀柄再安装到SK锥形卡套上。
3.2 中空锥形卡套HSK装夹
与SK卡套相比&＃xff0c;HSK中空锥形卡套具有下列优点&＃xff1a;
1)可适应高速旋转&＃xff0c;20000&＃xff5e;40000r/min&＃xff1b;
2)端面与锥面始终同时定位&＃xff0c;安装刚性高&＃xff1b;
3)由于有辅助分离功能&＃xff0c;即使在刀具热膨胀时&＃xff0c;
也能方便卸下&＃xff1b;
4)定位精度高&＃xff0c;径向跳动不超过5μm&＃xff0c;轴向重复
定位精度高达 1μm。
中空锥形卡套HSK已广泛应用于各种带刀库的CNC加工中心上&＃xff0c;图10所示的刀具HSK F63 柄装铣刀&＃xff0c;铣刀3、5通过端盖7及螺钉8固定在HSK F63卡套1上。
它HSK 卡套1
3.3 热装夹装刀卡套
无论是SK还是HSK装刀卡套&＃xff0c;卡簧内孔与柄铣刀柄部均存在间隙&＃xff0c;螺母旋紧后&＃xff0c;卡簧收缩变形&＃xff0c;消除两者之间的间隙。因此&＃xff0c;SK、HSK的刀具装夹精度取决于间隙消除的程度及均匀性。在实际操作过程中&＃xff0c;很难完全保证装刀卡套的回转轴线与柄铣刀中心线一致。
热装夹装刀HSK F63卡套不采用螺母及卡簧夹紧柄铣刀&＃xff0c;而是利用热胀冷缩的原理&＃xff0c;在特殊的高频加热装置加热装刀卡套,使内壁温度达240&＃xff5e;270℃,外壁温度达260&＃xff5e;350℃&＃xff0c;装刀卡套内孔直径变大&＃xff0c;柄铣刀柄部可方便地装入卡套内。冷却后&＃xff0c;卡套恢复原状&＃xff0c;卡套内孔与柄铣刀柄部形成过盈配合&＃xff0c;消除了间隙&＃xff0c;保证装刀卡套的回转轴线与柄铣刀中心线完全一致。
3.4 压力收缩装刀卡套
压力收缩装刀HSK F63卡套也不采用螺母及卡簧夹紧柄铣刀&＃xff0c;其技术核心是卡套内孔不是圆柱体&＃xff0c;而是三角圆柱体&＃xff0c;如图11所示。
在专用施压装置上加压后&＃xff0c;内孔变成了圆柱体&＃xff0c;柄铣刀边部能顺利装入卡套&＃xff0c;压力释放后&＃xff0c;内空恢复成三角圆柱体&＃xff0c;紧紧夹持刀具&＃xff0c;保证装刀卡套的回转轴线与柄铣刀中心线完全一致。
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