最高转速加工：模具高速制造必备

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最高转速加工：模具高速制造必备
& G1 @3 H' V. B+ S最大化机床使用率和能力的需要是在恒定地增长。具有主轴转速60,000到80,000r/min的现代机床为取得那些目标提供真正的机会，而且是实现高速加工(HSM)能力的重要部分。HSM的定义总是涉及和包括诸如切削速度、主轴转速和进给量等因素的组合；但是，它通常被定义为转速在15,000r/min及以上或速度高于每分钟1000英尺(取决于刀具直径)的小切深加工。但是，飞快的主轴转速和进给速度只是一个部分。为了转变到HSM，制造商还需严格关注刀具、刀柄和传统的应用专长。

& c. _4 Y. Y1 f; V1 i  ~. x刀具的要求

" l; G# D+ E' G' D) R8 `/ Z为使这些最高转速应用成为可能，刀具必须是精密且耐用的，或者更精确、更可预计寿命，尤其是在无人看管的加工中。它们还必须能维持高速时的夹持精度和抵抗弯曲变形及振动，尤其是在长悬伸的应用中。动平衡、刃口修磨、几何角度和刀具(切削刃)材料或材质等级都对精度和寿命有作用。不同的刀杆材料也是考虑的因素，刀杆材料包括钢件、重金属和硬质合金，其中硬质合金的刚性最好。
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既然刀具磨损在加工过程中的速率各不相同，制造商必须知道使用寿命-刀具需要转位、重磨或更换的时间点，取决于刀具的类型。知道和明白可预计的刀具寿命有助于工厂充分了解他们的刀具，而更重要的是在车间里发挥最大的作用。
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刀具与HSM
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. D, u. R; O# _0 _5 d很多HSM应用在模具制造中得到实施，使用各种立铣刀。封闭的型腔铣削和模具加工在本质上是相同的，它们都对机床在多个方向上的加工能力有很高的要求。常见的加工包括粗加工、半精加工和精加工，其中精加工最耗时，占整个加工的90%。刀具的进展和进一步的研发以及HSM的使用已经使制造商显著地缩短整个制造时间，几乎消除了手工的需求。 真正的直壁加工也可通过120度球头铣刀实现，这种铣刀能有效地进行上行和下行加工，进一步缩短加工周期。

用于HSM的精密刀具的理念还适用于满足日益增长的小直径应用和高精度内孔的需求。为了从事于这些应用领域，模具制造商应该为直径从0.012英寸(0.3mm)到0.315英寸(8mm)的精密内孔加工应用选择一系列的精镗刀。这种刀具使用的连接技术针对很低的跳动和很高的零件表面粗糙度质量。
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为了完善镗刀的范围，一种轴向型的精镗刀头提供镗孔直径方向增量为.0004英寸(0.1mm)的微调和.0001英寸(0.025mm)的游标刻度微调。精密的制造和超精密的调节允许加工速度高达30,000 r/min(4,920sfm，1500m/min)。这种刀具的开发从刀具和夹持装置两方面进一步强化了精度的重要性。

刀柄与HSM

诸如避免振动、弯曲变形和最小化跳动量的能力等刀具方面的挑战同样都是由刚性、同心度和刀柄的动平衡决定的。刀柄的选择不计其数，对于所有的应用没有一个固定的答案。其中有弹簧夹头型式、那些使用(心轴)止动螺钉的铣刀柄、液压刀柄，当然还有热胀型式的刀柄。当考虑使用HSM，刀具的动平衡是必须的，而普通平衡的最高值可能仅满足普通应用。弹簧夹头刀柄是可接受的，但仅它们被精密磨削以避免普通的跳动量。
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$ z; A3 T1 a% g# z# i) Y例如，当考虑“D型”弹簧夹头(全部精密磨削)时，你得到完全静力的夹紧，意味着在高速时将不会里张开。相反，如果你使用ER弹簧夹头，有较大的常规跳动量，而且当转速上升时，由于离心力的原因使弹簧夹头自然地微张，夹紧实际上变差了。
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液压刀柄提供极佳的传递扭矩和近乎完美的同心度，所以这种型式是一种理想的选择，仅有的缺点是整个单元比较大且会限制在某种应用的实际使用。

在刀柄的所有选择中，热胀刀柄与上述其它类型都不同，它具有最好的精度和刚性，使其成为最高转速HSM应用的最佳选择。热套系统由一台带有加热的电感线圈和可选的冷却装置的机器与一系列实际上能无限次收缩和‘胀开'的专用刀柄组成。这种工艺把热量集中到刀柄的前端，胀开刀柄的内径并使所选的刀具滑入。当前端冷却时，它收缩并与刀具成为一体。动平衡和对刀也能实现。不象其它夹持方法，热胀刀柄能传递最高的扭矩，3倍长径比处的精度为3µm ，而且可灵活地伸到其它刀具难以到达的区域。

如上图所示的热套系统，刀柄和刀具之间最大的刚性和精度使其成为HSM应用的理想选择。
照片由Seco-Carboloy提供。

. R* ~$ |: X& y4 ^关于不同的锥柄类型一直有很多争论，而论点是每种刀柄都有其长处。单从尾端来判断针对高速的重复性、重量和能力的话，将让我们接受HSK 最理想地适合于HSM；但是，这种改变取决于工厂的条件和其它几个因素，所以都必须在评估时加以考虑。

一系列特别设计的针对热胀循环精度最大化的刀柄是对热套设备的有益补充。

动平衡与HSM

9 q" H, U: m' E- n; R1 E由于机床的能力是确定的，而且正在进行刀具和刀柄的正确选择，HSM是一种快选的答案，对吗？不完全是。必须对装配好的刀具和刀柄特别地关注。事实是每种固有的动平衡指标不能转化为装配好后的动平衡指标。因此在刀具和刀柄连接之后必须做动平衡。这对你选择的任何组合都是正确的，而且真正是有效和经济加工的关键，甚至是较低的速度、重载切削应用，但对HSM是绝对关键的。

" N* Y( @  u1 b$ E; B为了在进行高速应用时获得很好的表面粗糙度和维持长且可预计的刀具寿命，你必须进行刀具的动平衡。了解动平衡的问题之一是知道你的机床能承受的最大“动不平衡量”。作为一个常用的经验法则，每毫米3克的动不平衡量对于HSM刀柄是可接受的。但是在非常高的主轴转速(30,000+ r/min) 时，要求接近每毫米1克是很正常的。

与其对比的是一把标准的普通立铣刀柄，动不平衡量可能高达每毫米250克。根据实际使用的转速，这可能是灾难性的失败和完全的成功之间的区别。动平衡的刀具在任何转速下都将产生更好的结果，但当考虑HSM时成为绝对的必备条件，它对生产率、质量、一致性和安全性有极大的影响。

这种精镗刀头预动平衡到30,000r/min并为该系列的整体刀具(都具有相同的柄部尺寸)
最佳的加工提供精密的调节。

全方位逼近

  d& n/ ?5 Z' \) g) T  U8 k最后一个方面仍然是人的智慧。机床、刀具和刀柄的显著进步仍然需要有经验的技师和应用工程师进行正确的评估、选择和应用。因此，在你提高主轴的转速之前，向你的技师和应用专家咨询以确保安全和高效的加工。

; x7 ~9 f2 U: \9 W) |, [HSM将继续对很多行业(如模具，以及汽车、航空)的生产率和获利能力有着主要的影响。从非常软的金属和非金属到60RC+的模具钢，很多工厂的成功将依托HSM的能力。而那些实践‘全方位'工艺(包括机床、刀具、刀柄、正确的动平衡和应用支持)的将兴旺发达。