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南京群基教您优质刀柄选购的基础知识

刀柄

南京群基教您优质刀柄选购的基础知识

刀柄是一种工具,是机械主轴与刀具和其它附件工具连接件,目前主要标准有BTSKCAPTOBBTHSK等几种规格的主轴型号。

刀柄

一、刀柄夹持力

刀柄夹持力是指刀柄对刀具的夹持力量,其大小可用量具以Nm牛顿米来衡量。刀柄夹持力越高代表刀柄越能紧握刀具,且刚性佳使其在切削条件越严苛时刀具不容易滑移或松脱造成俗称掉刀之状况。换句话说依切削条件之不同应选用具有足够夹持力之刀柄以确保加工质量机台主轴之寿命。

由衷建议除选购一支夹持力足够的刀柄外,在刀具的选购上应选择柄部公差俱h6以上之刀具以确保整体夹持力之实现与保持。

01、刀柄夹持力重要性之保护机台主轴寿命

在刀柄夹持力不足之状况下,条件越严苛之加工会引起越大之震动。此种震动对于机台主轴之前端轴承会造成显著之伤害,除轴承寿命大幅降低外,对主轴之精度亦有所影响。尤其在高速机台日益普及之环境下,因刀柄夹持力不足所造成之主轴轴承寿命提早结束之数万维修费用及停机之损失将是非常显著。

02、刀柄夹持力重要性之确保工件表面粗度及加工精度

在夹持精度 … 等条件不变之条件下,夹持力不足之刀柄对于加工工件轻则因上述之震动造成表面粗度不良或工件精度不佳。重则因夹持力不足且切削力量过大造成掉刀和Z轴尺寸变动导致对于工件造成无法弥补之伤害。

03、刀柄夹持力重要性之保护及延长刀具寿命

在夹持精度 … 等条件不变之条件下,夹持力不足之刀柄对于刀具轻则会因上述震动造成异常且加速磨损,重则整支刀具折损不堪使用。刀柄之夹持力随着不同之夹持方式有所不同,举例来说PFK型刀柄单边4度之筒夹设计之夹持力比ER筒夹单边8度之设计高出甚多。相同夹持方式之刀柄因制造商不同之制造方式及know-how,其夹持力亦不同。

刀柄

二、刀柄材料处理

缺少正确的热处理方式,再高等级之素材及加工设备亦无法成就一支精度高、寿命长之刀柄。正确及优良的热处理能将素材加热并急速淬火以得到高比例的麻田散铁,附予优良的机械性质,其包括硬度、组织密度、耐磨性抗折力、抗拉强 度。反之错误或不良之热处理造成素材本身组织松散、硬度不均、残留内应力过大、残留过多沃斯田铁、晶颗粒大小与组织密度不正常,造成刀柄机械性质未能达到应有的表现,甚至材料变形龟裂等现象进而影响刀柄最重要之精度及寿命。

另外由于钢材经由淬火过程中,除了产生麻田散铁外,还伴随着产生残留沃斯田铁。在组织方面,残留沃斯田铁属不安定组织结构,常常会因外在因素如温度、加工等的影响,使得残留沃斯田铁因获得能量而变态为麻田散铁,引起体积膨胀,进而产生尺寸的变化 钢材在淬火后,残留沃斯田铁量约在 2%~ 30%之间。也有少到 0.15%者与多到 30%者,视钢种及淬火程度而异。残留沃斯田铁组织的存在是一种不安定的相,在钢材中其量越多硬度就越低,会因温度改变或加工时产生相变化而造成尺寸变化,因此减少残留沃斯田铁是相当重要的,但需使淬火冷却过程中沃斯田铁不产生安定化,而又需使麻田散铁量之生成增加,并提高淬火性或减少淬火变形,这些目标往往 不易达成。

刀柄

三、刀柄材质

制造刀柄之材质选用对于刀柄本身之寿命及稳定性亦关系重大。刀柄材质相对于柄部精度或其它特性虽重要性较低但高等级之材质,除抗拉强度、韧性较佳外,其分子结构较细及密实。优质材料加上正确之材料处理使刀柄在精度不变之条件下延长使用年限,使刀柄不至于变成消耗品。

在刀柄材质的选用上即使低成本 ER筒夹式或侧固式BT刀柄,选用之镍铬钼合金钢相较铬钼合金钢具有分子结构较密实且含镍之特性。使用刀柄寿命及精度稳定性的却有倍数之效益。换句话说在长期密集严苛的换刀及加工下,刀柄柄部及其它公差尺寸之稳定度和耐磨耗性将大幅提升且变形量降低。

刀柄

四、刀柄柄部精度

柄部精度是指刀柄柄部与主轴内孔之密合度公差,此公差等级共分为AT 1至AT 12共12等级。刀柄柄部公差等级越高代表刀柄柄部与主轴内孔越为密合,举例来说与主轴内孔贴合面积达85%之AT3优于AT4。依ISO1947之规范建议,AT3为刀柄柄部之最基本要求。

HSK刀柄部分德国规范DIN 69893明确订定出HSK刀柄柄部各尺寸之公差范围。此公差范围为固定公差,也因此并无公差等级之区分。

以上刀柄精度之测量皆须使用精密且定期检验之量具测量,其它方式如涂抹红丹目视法 …. 等皆无法准确测量。

01、刀柄柄部精度等级之重要性之保护及延长主轴之精度与寿命

刀柄柄部精度越高,刀柄柄部与主轴内孔越密合,代表主轴转动中时不因刀柄柄部与主轴内孔间隙过大进而持续撞击主轴内孔。其影响轻则主轴内孔损伤、变形、精度不佳,重则主轴报废。尤其在高速加工环境,在动辄数万转之昂贵高速主轴需求下,刀柄柄部精度之重要性攸关重大。柄部精度超出DIN69893规范之HSK刀柄,轻则夹退刀异常且长期主轴精度不佳或损伤、变形,重则短期内主轴精度丧失且报废。

02、刀柄柄部精度等级之保护及延长刀具寿命

理论上夹持精度越高刀具寿命越长。实务上刀具前端之偏摆有极大部分源自于刀柄柄部与主轴内孔间隙过大所产生之偏差或主轴内孔因长期使用柄部公差不良之 刀柄所造成之精度丧失 。因此,柄部精度等级越低之刀柄其刀具偏摆亦越差,重复精度相对也会变差 。另外不良率增加、因刀具磨耗快所造成之刀具费用提升之严重代价已亦不可疏忽。

03、柄部精度等级之确保工件精度、质量

同理之下刀柄柄部精度与刀具偏摆成正比,也因此加工对象之精度、质量亦能确保。

刀柄

五、夹持精度 & 重复精度

刀柄夹持精度和重复精度之重要性几乎可说是仅次于柄部精度或是动平衡。刀柄夹持精度是指刀柄夹持刀具后之偏摆。量测方式为夹持测试棒后在其柄径之数倍长度之处旋转360度且量测其偏摆。 如下图刀柄夹持测试棒并固定在量具上所示,以A点为基准点,旋转 360 度,量测B点或C点处之偏摆。刀柄鼻端(B)与C点之距离以刀具柄径之几倍长表示(假设刀柄径d为6mm,4 倍长/4d处为24mm)刀柄的重复精度是指刀柄在重复拆装或夹持之状况下,每次测量之夹持精度变化量。C点之距离越长,夹持精度及重复精度越难保持。

刀柄

一般依厂家之制造质量从2.5倍至4倍长为主。使用者在选购刀柄时应注意制造商所标示之精度是夹持精度或重复精度和其测量处是单在刀柄内孔(B 端)或是2.5d , 3d或4d。

01、确保工件表面粗度及加工精度

刀柄夹持精度越高代表刀具在尾端摆动量越小,也因此使用者可轻易达到工件所要求之精度或面粗度。刀柄夹持精度越高所加工之工件面粗度明显优于夹持精度低之刀柄。此外夹持精度差亦会造成扩孔、表面精度差、真圆度不良 … 等问题。

02、加工时间之节省

因刀柄夹持精度低之因素所造成之检验之次数及因精度/面粗度不合格之重工时间也可大幅缩减。另外高重复精度刀柄之采用也可大幅降低机台操作员因校正刀具所花费的宝贵时间。

在售价及利润直线下降或是产能负荷过大的环境中,以一分钟机台加工人员成本10元的假设下,一天在重工或校刀所浪费之成本至少500元。夹持精度及重复精度高之刀柄所能带来之效益远大于刀柄本身价格。

03、保护及延长刀具寿命

刀具之每刃刀刃在加工时皆能因夹持精度高也就是刀具尾端偏摆小而平均受力,且不因偏摆关系使单一刀刃不平均受力而产生不正常且过度磨耗导致刀具寿命提早缩短。如以下刀柄精度与刀具寿命比较表所示,以夹持精度0.01mm为基准,当精度提高至0.003mm时刀具寿命可延长50%以上。

建议除选购一支夹持力足够的刀柄外,在刀具的选购上应选择柄部公差俱h6以上之刀具以确保整体夹持力之实现与保持。

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六、动平衡

在高速机台日益普及的环境,动平衡已与柄部精度同列为衡量一支合格刀柄之最基本指标。 刀柄中的不平衡根源通常是机能性的,例如它可由端铣刀刀柄中的止付螺丝引起,或在CAT刀柄中的不等深度键槽所致。这些成因常常随机出现、无一定规则,所以不论在何种情况下,用者最终都要想法补偿这种不平衡,才能达到动平衡校正之目的。

一般来说用于主轴转速达8000转以上之刀柄皆需做动平衡。动平衡等级依ANSI S 2.19规范从G4000 至G04共可区分为11等级。G号码越低代表动平衡等级越高。

我们必须注意的是,在一个刀具/刀柄装置内,不平衡状态所产生的离心力是与主轴的速度平方成正比。换言之一个在每分钟1千转下所产生的微细不平衡量,在1万转下该离心力将会增大100倍,而在2万转时更会增加400倍。在越来越高的主轴转速发展趋势下如果刀具不能保持在主轴中心在线旋转,它便会成为引起额外不平衡的主要原因。故优良的同心度也变得更为重要。

在动平衡处理不良之状态下,主轴高速运转所产生之离心力会使原可预防之震动或振颤发生。此震动或振颤之影响如下:

机台主轴:上述之震动或振颤将传至主轴轴承,且一旦超过轴承负荷将造成温升,进而降低轴承寿命。

刀具寿命:上述之震动或振颤将使刀具拍打工件产生变动的切削负荷导致刀具寿命大幅缩减

加工工件:上述之震动或振颤及其与原本之夹持精度之相乘效应将导致加工工件面粗度变差且有刀纹或是加工精度大幅降低。

工业安全:国外即有案例因主轴转速高且动平衡量不良导致刀柄飞出伤及机台操作者之严重工安问题。

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