日本黑田精工株式會社的鈴木繁于10年前在機械技術(shù)雜志上發(fā)表了關(guān)于高轉(zhuǎn)速加工時工具系統(tǒng)存在問題的文章，當(dāng)時將加工中心的高轉(zhuǎn)速定義為1萬轉(zhuǎn)以上。而現(xiàn)在，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)3～4萬轉(zhuǎn)的機床已作為標(biāo)準(zhǔn)型機床在市場上銷售。如果再一次以工具系統(tǒng)作為對象來定義，而高轉(zhuǎn)速的定義保持不變，則主軸轉(zhuǎn)速在3萬轉(zhuǎn)以上可以定義為超高轉(zhuǎn)速，其理由是主軸轉(zhuǎn)速在3萬轉(zhuǎn)以上時，原有的工具系統(tǒng)就不適用了。具有超高轉(zhuǎn)速主軸的加工中心主要用于加工高硬度材料的小型精密模具。用于小型民用產(chǎn)品、插接件等的高精度模具的制造對技術(shù)和技能的要求很高，在激烈的競爭環(huán)境下，企業(yè)要謀求高附加值，就必須推進(jìn)高精度化和降低加工成本。
超高轉(zhuǎn)速主軸的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在能實現(xiàn)切削。特別是在模具的精加工中，用直徑約φ1mm的立銑刀進(jìn)行高速銑削，能夠省去后續(xù)研磨工序，而研磨加工是難以實現(xiàn)自動化的手工作業(yè)，是實現(xiàn)模具制造自動化的一大難題。在高速精銑加工中，加工精度可達(dá)到2～3μm，要使加工精度達(dá)到2μm，則刀尖的跳動精度至少應(yīng)控制在2μm以下。因此，超高轉(zhuǎn)速切削用工具系統(tǒng)必須滿足以下要求：①優(yōu)良的旋轉(zhuǎn)平衡；②優(yōu)良的刀柄重復(fù)再現(xiàn)性；③優(yōu)良的刀具裝夾重復(fù)再現(xiàn)性；④良好的徑跳精度。
下面分別介紹黑田精工株式會社制造的適用于超高轉(zhuǎn)速高精度切削的工具系統(tǒng)產(chǎn)品。
超高轉(zhuǎn)速切削用熱裝刀柄
銑削加工小型高硬鋼精密模具的主流刀具為φ6mm以下的立銑刀，統(tǒng)一使用φ3、φ4和φ6mm三個規(guī)格的熱裝刀柄。這種刀柄構(gòu)造簡單，非常適合超高速銑削。只要采用合理的工藝，就能制造出徑跳精度很高的刀柄，且刀柄安裝的重復(fù)精度。
zui近開發(fā)的高性能電磁感應(yīng)加熱式裝刀設(shè)備，只需數(shù)秒鐘即可完成加熱，但需要5分鐘才能完成強制冷卻。此外，在熱裝操作中稍有疏忽就容易發(fā)生燒傷事故。因此從現(xiàn)場安全考慮，希望開發(fā)出能滿足超高轉(zhuǎn)速使用要求的彈簧夾頭。
適合超高轉(zhuǎn)速切削的彈簧夾頭
適合超高轉(zhuǎn)速切削的彈簧夾頭必須滿足前述的各項要求。為此，黑田精工株式會社進(jìn)行了以下改進(jìn)設(shè)計，開發(fā)了cmg系列產(chǎn)品：①取消了螺母外形部分扳手用的溝槽結(jié)構(gòu)；②使彈簧夾頭主體zui短化，并盡可能不采用銑削加工；③增加了螺母前后端的防塵密封設(shè)計；④開發(fā)了扳手。
通過以上改進(jìn)設(shè)計，減少了不平衡的可能性；考慮到銑削時靠近工件而不易發(fā)生干涉，縮小了螺母外形，并使其兼?zhèn)溥m應(yīng)銑削的高剛性；彈簧夾頭的徑跳精度在標(biāo)準(zhǔn)試棒4d端部處控制在3μm以內(nèi)；柄部以hske32為標(biāo)準(zhǔn)，選擇制造hske25型柄部。
由于取消了夾頭螺母上扳手用的溝槽，因此需要使用單向超越離合器式扳手。在開發(fā)彈簧夾頭時，為了保持良好的夾緊性能，以帶扭矩限制器的扳手作為開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。雖然購買這種扳手價格較高，但為了保證彈簧夾頭使用性能良好穩(wěn)定，價格貴一些也是合算的。經(jīng)過上述改進(jìn)的彈簧夾頭能在40000r/min轉(zhuǎn)速條件下正常工作。但是，根據(jù)機床主軸的質(zhì)量（粗細(xì)），有必要對不平衡進(jìn)行修正。
徑跳精度補償?shù)侗?br>即使機床主軸、刀柄和刀具都是高精度產(chǎn)品，但將它們組合安裝于主軸上后，由于三者徑跳量的累積，刀具前端的徑跳有時也會達(dá)到6μm以上。在這種情況下，如果能將刀具前端的徑跳精度調(diào)整到1μm以內(nèi)，對刀尖壽命和已加工面質(zhì)量的提高都具有顯著效果。雖然這種刀柄不是面向超高轉(zhuǎn)速切削，但它適合高精度的銑削加工。
黑田精工株式會社開發(fā)的徑跳精度補償?shù)侗臉?gòu)造特點是在彈簧夾頭體的直圓柱部分裝有內(nèi)孔壁中部開了空刀槽的徑跳補償環(huán)，當(dāng)擰緊該補償環(huán)中部的徑跳補償螺釘時，可使夾頭體變形成“く字形”并使其端部與中心線同心，其優(yōu)點是徑跳補償環(huán)可在裝配的zui后裝上，當(dāng)不需要補償時，可將徑跳補償環(huán)卸下后作為普通彈簧夾頭使用。使用方法是將裝好刀具的彈簧夾頭安裝在機床主軸上，用徑跳測量儀測量刀尖的徑跳，如測量刀尖有困難，也可測量刀具柄部前端圓柱的徑跳。
徑跳補償?shù)木唧w方法是：首先找出徑跳zui大負(fù)值的旋轉(zhuǎn)位置，然后將補償環(huán)轉(zhuǎn)到該位置使其對準(zhǔn)徑跳補償螺釘，一邊觀察徑跳測量儀顯示的徑跳值，一邊調(diào)整徑跳補償螺釘?shù)臄Q緊程度，使刀尖靠向正值一側(cè)，即可將徑跳精度補償至1μm左右。這一過程并不復(fù)雜，即使是初次操作，也能很容易地完成補償。
由于徑跳精度補償?shù)侗鞘沟侗a(chǎn)生彈性變形來修正刀尖位置，以提高徑跳精度，因此在徑跳精度補償后刀具平衡將被破壞。為確定其影響，分別檢測了徑跳精度補償前后回轉(zhuǎn)中心的徑跳變化。測試中使用超級bt刀柄（新型兩面定位夾緊bt刀柄）bts40-cma13-105hh，用彈簧夾頭夾持φ12.5標(biāo)準(zhǔn)試棒，檢測懸伸量82mm處的利薩如波形。由于普通彈簧夾頭徑跳很小，因此專門準(zhǔn)備了精度較差、徑跳值相對較大的彈簧夾頭。測試時，緩慢地提高轉(zhuǎn)速，觀察50r/min時和10000r/min時徑跳值的變化，結(jié)果在徑跳精度補償前增加了9.6μm，在徑跳精度補償后增加了3.3μm。由于標(biāo)準(zhǔn)試棒較粗且懸伸長度大，因此對其進(jìn)行徑跳精度補償所引起的重心移動量比彈簧夾頭大。通過改變旋轉(zhuǎn)速度，可觀察到機床主軸徑跳的微妙變化過程。由此可知，在超高轉(zhuǎn)速條件下，不僅對靜態(tài)徑跳精度的評價很重要，對動態(tài)徑跳精度的分析也不可忽視。
近來，在微型球頭立銑刀產(chǎn)品中，開發(fā)了刀尖半徑小于0.05mm的硬質(zhì)合金立銑刀和cbn整體式立銑刀等微型刀具，用這些產(chǎn)品以合理的切削速度進(jìn)行加工時，要求進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度，因此對工具系統(tǒng)使用條件的要求將越來越苛刻，今后仍需進(jìn)一步推進(jìn)滿足市場需求的研究開發(fā)。