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刀柄是確保加工生產率的重要環節

2019-11-28 來源：山高作者： Yves Heitz 刀柄係統產品經理

上海, 2019 年（nián） 11 月 - 精密的機床配合先進的切削刀具可（kě）提（tí）供出色的金屬切削生產率。而刀柄作為切削刀具和機床主（zhǔ）軸之間的關鍵性接口，對於實現高生產率（lǜ）至關重要。刀具製造商提（tí）供多種刀柄類型，每種（zhǒng）類型的刀柄在特定加工應用中都具有最佳性能。因此，加工（gōng）車間應（yīng）根據其特定工序（xù）以及生產的零件選擇刀柄。然而，雖（suī）然車間希望采用最先進的機床技（jì）術和切削刀具材料，但對於選擇、應用和維護最適合其特定生（shēng）產需求的刀柄，他們通常並不重視。

所有刀柄（bǐng）都不盡相同

沒有一個刀柄係統是萬能的。專為（wéi）高速精加工工序而打造的刀柄通常會缺（quē）乏高效加工所需的剛性和強度，例如，粗加工毛（máo）坯鑄件。相反，用於粗加工的刀（dāo）柄通常會缺乏動平衡性，這種動平衡性能夠使刀柄在精加工工序中高速平穩運行。此外，粗加工刀柄的（de）粗壯設計和大體積可（kě）能會限製其（qí）夠到較精細或較深的零件特征。而難加工（gōng）材料需要具有增強強度和剛性的刀（dāo）柄。此（cǐ）外，刀（dāo）柄的減振能力以及冷卻液輸送能力也是重要的選擇標準。

使用不合（hé）適的刀柄會導致尺寸誤差和零件（jiàn）報（bào）廢，以及（jí）機床主軸過度磨損、刀具壽命縮短和刀（dāo）具斷裂風險增加（jiā）。在非關鍵性作業中，物美價廉的（de）刀柄可能會產生令人滿意的結果。但是，在必須（xū）獲（huò）得可重複精度的工序中，尤其（qí）是在昂貴工（gōng）件報廢會降低零件的利潤率時，投資以應用（yòng）為中心的高質量刀（dāo）柄可以以較低的成本防範此類意外損（sǔn）失。

某些車間經理可能認為在各種應用中（zhōng）使用長型（xíng）刀柄可以有（yǒu）效節約成本。然而，盡可能使用最短的刀（dāo）柄（bǐng）將最大限度地提高剛性，減少導致表麵質量下降的振動並保持刀具壽命。

刀柄占（zhàn）總生產成本不到 2%。即使將刀柄成本減半，對（duì）總生產成本（běn）也隻是微不足道（dào）的節省，而工件報廢或刀具斷裂對成本有（yǒu）重大影響。優質刀具和刀柄可提高金屬切削生產率，從而（ér）立即獲得刀具投資回報。尤其是在航空航天零部件製（zhì）造（zào）等對（duì）加工工藝穩定（dìng）性要（yào）求極為嚴格的行業中，許多製（zhì）造商都將重點放在購買優質刀具上，以避免（miǎn）生產（chǎn）出有缺陷的零件或是將時間浪費（fèi）在故障排除和生產中斷上。航空航天製造商通常要花較長時間來驗證新的刀柄概念，然後才能（néng）進行生產認證。

工件因素影響（xiǎng）刀柄選（xuǎn）擇

影響刀柄選擇的因素包括每個作業中工件（jiàn）材料的可（kě）加工性以及最終零（líng）件的配置，這些因素可確定（dìng）到達特定輪廓或特征所需的刀柄（bǐng）尺（chǐ）寸。刀（dāo）柄應盡可能簡單（dān）且易於使用，以盡量減（jiǎn）少操作員出錯的（de）可能性。

無論采（cǎi）用哪種刀柄技術，機床的剛性、主軸功（gōng）率和（hé）產生嚴格公差（chà）的能力將決定什麽工（gōng）序是可（kě）行的。例如（rú），在磨損的機床上嚐試產生微米級公差就不切實際。

機床的基本（běn）構（gòu）件起著關鍵（jiàn）作用 — 具（jù）有線性導軌的快速機床將充分利用專為高速應用而設計的刀柄，而具有箱型槽的（de）機床則為重載加工（gōng）提供支持。多任務（wù）機床可（kě）同時完成（chéng）車削和（hé）銑削/鑽削工序。

也可以根據加工策略選（xuǎn）擇（zé）刀柄。例如，為了在高速切削（xuē） (HSC) 工序中或在（zài）高性能切削（xuē） (HPC) 應用中最大（dà）限度地提高生產率，車間會選用不同的刀（dāo）具（jù），前者涉及較淺的切削深度，後者重點關注在功率充足但速度有限的機床上產生較高的金屬切除率。

較低的可重複徑向跳動有助於確保恒定（dìng）的刀具齧合（hé）量，從而減少振動並最大限度地延長刀具壽命。平衡至關重要，高質量刀柄（bǐng）應在 G2,5-25000 rpm 質量 (1 g.mm) 下達到精密（mì）動平（píng）衡。加工車間可以根據實際情況，或谘詢刀具供應商，確定（dìng）能夠以經濟高效的方式滿足其生產需求的刀柄係統。

每種刀（dāo）柄都（dōu）有自己的細分市場

無論是（shì）簡單的側固式、夾套式、熱縮式、機械式（shì）還是液壓式，刀柄都應符合特定的（de）工序要求。例如，用於側固柄刀（dāo）具的簡單立銑刀刀柄堅固、易於使用，可傳（chuán）輸高扭（niǔ）矩（jǔ），並提（tí）供安全和堅固（gù）的夾緊功能，具有強大的防拉拔作用。這類刀柄（bǐng）非常適合重載粗加工（gōng），但缺少精確的同心（xīn）度。通常，它們本質上是不平衡的，不能有效地應用於使（shǐ）用高轉速（sù）的應（yīng）用。

彈簧夾頭和可互換夾套是最常用的圓形（xíng）刀柄技術。經濟高效（xiào）的 ER 式提供各（gè）種尺寸，並提供（gòng）足夠的夾持力，以實現可靠的輕銑削和鑽削工序。高精度 ER 夾套式刀柄具有較低的徑向跳動（在刀尖處 < 5μm）和可平（píng）衡用於高速工序（xù）的對稱設計，而加強型則可用於重載加工。ER 刀柄便於快速轉換，可適應各種刀具直徑。熱脹（zhàng）刀柄可提供強大的夾（jiá）緊力（lì），在 3xD 處具有 3 μm 的（de）同心度，且具有極佳的動平衡（héng）質量（liàng）。小巧的刀柄設計可以很好地夠到棘手的零件特征。

Shrinkfit_Holder.jpg

增強型刀（dāo）柄可進行中等至重載銑削，但夾持力（lì）取（qǔ）決於刀杆和刀柄的內徑公差。熱脹式刀（dāo）具需要購買特殊加熱裝置，加熱/冷卻過程比簡單地切換夾套需要更多的安裝時間。

機械銑削夾頭通過多排滾針軸承提供強大的（de）夾持力和高徑向剛性。該設計可（kě）實（shí）現（xiàn）重（chóng）載銑削和快速換刀，但跳動量可能大於夾套係統。機械夾頭的尺（chǐ）寸通（tōng）常大於其他刀柄類型（xíng），這（zhè）可能會限製刀具夠到某些零件特征。

Power Milling Chuck.jpg

與機械夾（jiá）頭相比，使用油壓產生夾緊力的液壓夾頭具有更少的內部構件，因此外形相對更纖細。液壓（yā）夾頭的徑向跳動較低（dī），在高主軸轉速下可有效地進行擴孔、鑽孔和輕銑削，但對大徑向負（fù）載敏感。

與刀柄如何固定切削刀具同樣重要（yào）的，是如何將刀柄安裝到機床主軸上。刀柄的主軸或錐形端決定（dìng）了扭矩傳遞能力及刀具對（duì）中精（jīng）度。傳統 BT、DIN 和 CAT 刀柄錐度（dù）適用於較小的機床，但在高速加（jiā）工方麵可（kě）能會受到限（xiàn）製。與刀柄錐麵和（hé）端（duān）麵（miàn）雙（shuāng）麵接觸的型號（hào）可提供更高（gāo）的剛性和精度，尤其是在大懸伸情況下。可靠傳遞更大的扭矩需要更大的錐度（dù）尺寸（cùn）。例如（rú），HSK-E32 刀柄不（bú）能在重載加工中替代 HSK-A125A。

刀柄錐度形式的選擇通常因地區而異。二十世紀九十年代中期，5 軸機床越來（lái）越受歡（huān）迎，HSK 正是在（zài）這期間開始在德國湧現。CAT 刀柄（bǐng）主（zhǔ）要用於美國（guó），而在亞洲，BT 刀柄非常受歡迎，並且（qiě）經（jīng）常為錐麵（miàn）/端麵雙麵接觸的型號。

HSK 常用於 5 軸加工。PSC（多邊形夾緊（jǐn）係統：Capto）和 KM 連接主要用於多（duō）任務機床，采用 ISO 標準。KM和 Capto 都是模塊化係統，允許通（tōng）過組（zǔ）合接長杆或（huò）縮徑杆（gǎn）以（yǐ）裝配特（tè）定（dìng）長（zhǎng）度的刀具（jù）。隨著多（duō）任務機床越來越普遍，能夠在一（yī）次裝（zhuāng）夾中實現車、銑、鑽等加工類型的（de）刀柄越來越受歡（huān）迎。

Hydraulic Chuck.jpg

盡管專用的刀（dāo）柄係統具備出色性能，但車間必須計（jì）算盈利性。來（lái）自（zì）單（dān）一供（gòng）應（yīng）商的（de）專用係統往往成本較高，並且刀具的選擇餘地有限。

成本和其他注（zhù）意事項

雖然液壓式或機（jī）械式刀柄的基本成本比夾套式或熱脹（zhàng）式刀柄的基本成本更高，但後者還（hái）牽涉到其他因（yīn）素，例如熱脹加熱係統的費用，以及更換刀具所需的時間。此外，每個刀具（jù）直徑還需要有相應的熱（rè）脹式刀（dāo）柄，相對而言，在彈簧夾頭刀柄係統中隻需切換夾套（tào）即可適應不同的直徑。

機床操作員和刀具維（wéi）護人員務必（bì）需要（yào）正確使用刀柄。與機床和其（qí）他製（zhì）造設備（bèi）一（yī）樣，刀柄需要正確使用和維護（hù），以最大限度地發揮其優勢（shì）及潛能。例如，操（cāo）作（zuò）員必須將刀杆完全（quán）插（chā）入（rù）刀柄中，如果插入不當會導致（zhì）刀具出現準（zhǔn）確性盡失的振動狀況甚至彈出。遵循刀具裝（zhuāng）配規範至（zhì）關重要。在擰緊夾頭時，操作（zuò）員不得使用加長手柄來施加過大的扭矩（jǔ），這會扭曲夾套並導致刀（dāo）具錯位。

刀具維護也很重要，但這點通常被（bèi）忽略。操作員應始終清潔刀柄後再使用，也應檢查機（jī）床主軸。刀柄應存放在（zài）清潔幹燥（zào）的地方，並用蓋子保護刀具錐（zhuī）麵。應定期檢查液壓夾頭的油（yóu）液壓力。

總結

加工車間必須重視刀柄在加工係統中的（de）重要性，並了解（jiě）如何將（jiāng）正確的刀柄與特定機床、加（jiā）工策（cè）略和工件正確匹配來提高生產率和降低成本。同時，刀（dāo）柄製造商提供全麵的刀柄選擇（參見（jiàn）附注），旨在滿足個性化的工藝需（xū）求。

未來的技術改進將不再局限於刀柄（bǐng）本身。使用軟件和 RFID 標簽進行（háng）刀具管理是基於數據的製造的一個要素，並且（qiě）正（zhèng）在變得（dé）越來（lái）越普（pǔ）遍。刀柄技術的進步包括配備傳感器的刀柄（bǐng），可實時監控刀柄上（shàng）的力。所收集的數據允許操作員在加（jiā）工過程中對加工參數進行調整，甚至可以通過與（yǔ）機器控製單元連接的人工智能 (AI) 自動調整。這些技術和其他新（xīn）技術將（jiāng）進一步增加刀（dāo）柄在加工（gōng）工序中的生產貢獻（xiàn）值。

（附注）

滿足各種需（xū）求的刀柄

多（duō）年（nián）來，山高刀具在不斷擴展刀柄係列，以滿（mǎn）足特定的（de）客戶需求。2000 年，山高刀具收購了法國刀（dāo）柄係統公司 EPB，該公司在刀柄、鏜頭和（hé）減振刀柄的設計和製（zhì）造方麵經驗豐富，由此山高刀具能夠提供多種專為處（chù）理特殊加（jiā）工應用而設計的刀柄（bǐng）。

例如，山高刀具提供不同的熱脹刀柄類型，有多種長度和頭部外形。HD 型熱脹刀柄專（zhuān）為重載粗加工而設計，而 DIN型熱脹刀柄（bǐng）則是對質（zhì）量有很高要求（qiú）的高速切削工序中半精和精加工的首選。M&D（模具）型熱脹刀（dāo）柄（bǐng）設計用於深腔中的半精和精加工，常見於模具和航空航（háng）天製造業。

此外，山高刀（dāo）具還提供 ER 和 HP 彈簧夾頭。ER 夾頭通用性好並且很受歡迎，一種（zhǒng）規格的（de）夾頭通（tōng）過安（ān）裝不同尺寸的彈簧夾套可以（yǐ）允許用戶夾（jiá）持一係列直徑的刀具。HP 彈簧夾頭設計用（yòng）於在高速精加工和輕載粗加工（gōng）應用中保證（zhèng）良好的工件表麵質（zhì）量。刀柄具有減振效果，可減少一定（dìng）的（de）加工振動，並且（qiě）刀具斷裂造（zào）成的影響（xiǎng）較小，因為隻需更換夾套（tào）和刀具即（jí）可立即恢複加工。

對於（yú）重載加工，山高刀具的預平（píng）衡強力（lì）銑削夾頭具有較高的金屬切除率，並且可（kě）替（tì）代熱脹式或（huò）側固式刀柄。這類夾頭易於操作，並且（qiě）可使用縮徑套固定不同的刀（dāo）具直（zhí）徑。此外，液壓膨脹夾頭還通過膨脹套筒提供了刀柄的多功能性，在 3xD 處具有小於 5 μm 的徑向跳動，並且經過（guò）精細平衡，適用於高速切（qiē）削應用。整體式儲油罐充當減振劑，有助於優化表麵質量。

山高的銷售工程師對刀柄特性、功能（néng）和應用非常了解，區域技術專家也全力提供支持。經驗豐富的專業技術支持可幫助客戶選擇最適合其特定零件、設備和（hé）加工策略的刀柄。山高產品樣本還提供詳細（xì）的技術指（zhǐ）南（nán），幫助（zhù）用戶做出最（zuì）具生產力和成本效益的選擇。

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