刀柄刀具及加工基础知识

刀柄知识：
1	刀柄的几种型式：
	加工中心的主轴锥孔通常分为两大类:即锥度为7:24的通用系统和1:10的HSK真空系统。 锥度为7:24的通用刀柄通常有五种标准和规格: 一.   NT（传统型） 二.   DIN 69871（德国标准） 三.   IS0 7388/1 （国际标准） 四.   MAS BT（日本标准） 五.   ANSI/ASME（美国标准）。     NT型刀柄德国标准为DIN 2080，是在传统型机床上通过拉杆将刀柄拉紧，国内也称为ST；其它四种刀柄均是在加工中心上通过刀柄尾部的拉钉将刀柄拉紧。目前国内使用最多的是DIN 69871型（即JT）和MAS BT 型两种刀柄。DIN 69871型的刀柄可以安装在DIN 69871型和ANSI/ASME主轴锥孔的机床上， IS0 7388/1型的刀柄可以安装在DIN 69871型、IS0 7388/1 和ANSI/ASME主轴锥孔的机床上，所以就通用性而言，IS0 7388/1型的刀柄是最好的。
2	刀柄标准与刀柄型号对应如下：
	DIN 2080型（简称 NT或ST） DIN 69871 型 （简称JT、DAT或SK） ISO 7388/1 型 （简称 IT） MAS BT 型 （简称 BT） ANSI B5.50型 （简称 CAT）
3	拉钉的种类：
	拉钉有三个关键参数：θ角、长度l以及螺纹G 关于刀柄拉钉的θ角有如下几种情况： 1、MAS BT（日本标准）刀柄拉钉θ角有45°、60°和90°之分，常用的是45°和60°的 ； 2、DIN 69871刀柄拉钉（通常称为DIN 69872－40/50） θ角只有75°一种； 3、 IS0 7388/1刀柄拉钉（通常称为IS0 7388/2－40/50） θ角有45°和75°之分； 4、 ANSI/ASME（美国标准）刀柄拉钉θ角有45°、60°和90°之分。 关于刀柄拉钉的螺纹G，除ANSI/ASME（美国标准）刀柄拉钉存在有英制螺纹标准外，其它三种均使用公制螺纹，40#刀柄拉钉通常使用M16螺纹， 50#刀柄拉钉通常使用M24螺纹。
4	HSK刀柄的种类：
	1:10的HSK真空刀柄 的德国标准是DIN69873，有六种标准和规格，即HSK-A、 HSK-B、 HSK-C、 HSK-D、 HSK-E和HSK-F，常用的有三种：HSK-A (带内冷自动换刀) 、 HSK-C (带内冷手动换刀) 和HSK-E(带内冷自动换刀，高速型)。

刀柄系统和拉钉

刀柄系统和拉钉 加工中心的主轴锥孔通常分为两大类：即锥度为7:24的通用系统和1:10的锥柄系统。 一. 1:10的锥柄系统。 1:10的锥柄系统有几种,比较有影响的有德国的HSK真空刀柄（标准DIN69873）和一些大的公司的企业标准与日本的NC5实心刀柄。HSK真空刀柄靠刀柄的弹性变形，不但刀柄的1:10锥面与机床主轴孔的1:10锥面接触，而且使刀柄的法兰盘面与主轴面也紧密接触，1∶10空心工具锥柄目前已有国家标准GB19449.1－2004（带有法兰接触面的空心圆锥接口第1部分：柄部—尺寸）。它等同采用了国际标准ISO12164－1：2001的内容。原德国标准DIN69893－1：1996已被新的标准DIN69873－1：2003代替，新的德国标准也等同采用了国际标准ISO12164－1：2001的内容。其它常见结构的1∶10工具锥柄基本采用企业标准，具有垄断性，如美国肯纳公司的KM型系列、瑞典山特维克公司的Capto系列、德国瓦尔特公司的NOVEX系列等。这种双面接触系统在高速加工、连接刚性和重合精度上均优于7:24的通用刀柄系统，但也有其缺点，如加工困难、刀具悬伸大而影响刀具刚性、刀柄重磨困难等。日本的NC5刀柄采用的是实心结构。 二．7:24的通用系统。 锥度为7:24的通用刀柄通常有四种国际标准和规格：IS0 7388/1-1983（E）（等同于DIN69871.A和GB/T10944-1989）；DIN 69871（德国标准）； ANSIB5.50CAT（美国标准）；MAS403BT（ 日本标准）。 1）.IS0 7388/1-1983（E）（等同于DIN69871.A和GB/T10944-1989）： 该标准的刀柄的国内代号是JT，如JT30、JT40、JT50等。中国国家标准GB10944－89是参照采用国际标准ISO88/1：1983制定的，除对极个别项目数据进行了圆整（如尾部螺纹底孔深度13）或未规定数据（如法兰上的键槽根底倒角）外，其它数据完全相同。而国际标准ISO7388/1：1983又是参照德国标准DIN69871－1的A型工具锥柄制定的，所以这三个标准的外形尺寸相同。其特征是：法兰厚度较小；有一装刀用的定位缺口；两个端键槽为不对称分布。 该标准刀柄安装尺寸与DIN 69871 型没有区别，但由于ISO 7388/1 型刀柄的D4值小于DIN 69871 型刀柄的D4值，所以将ISO 7388/1型刀柄安装在DIN 69871型锥孔的机床上是没有问题的，但将DIN 69871 型刀柄安装在ISO 7388/1型机床上则有可能会发生干涉。 其所用的拉钉标准是ISO7388/2-A、ISO7388/2-B、GB/T10944-1989（如LDA30等）。 2）. DIN 69871（德国标准,简称JT、SK或DIN等）： DIN 69871 型分两种，即DIN 69871 A/AD型 和 DIN 69871 B型，前者是中心内冷，后者是法兰盘内冷，其它尺寸相同。其中A型为螺纹底孔不通的；AD型为螺纹底孔贯通的。 在国内，其工具锥柄的代号为“JT”,而在德国则多称为SK或DIN。在未做特殊说明的情况下，SK刀柄采用的标准是DIN69871/A。 其所用的拉钉标准是DIN69872（如D30等）。 3）. ANSIB5.50CAT（美国标准）: ANSI B5.50型是美国标准，该型刀柄的代号是CAT。其特征为：法兰厚度较小；两个端键槽为非对称分布；在一个端键槽的底面上钻有识别孔，用于刀具定位。其安装尺寸与 DIN 69871、IS0 7388/1 类似，但由于少一个楔缺口，所以ANSI B5.50型刀柄不能安装在DIN69871和IS0 7388/1机床上，但 DIN 69871和IS0 7388/1 刀柄可以安装在ANSI B5.50型机床上。 AMSEB5.50－1994已替代了ANSI/AMSEB5.50－1985，同样，由于外形尺寸相同，很多制造商在样本上仍标注ANSI/AMSEB5.50，或只标注ANSI。 其所用的拉钉标准是ANSIB5.50（如A30等）。 4）.MAS403二BT（ 日本标准）： BT型是日本标准，安装尺寸与 DIN 69871、IS0 7388/1 及ANSI 完全不同，不能换用。其特征为：法兰厚度较大；V型槽非对称分布，靠近工作部分一侧；两个端键槽对称分布；端键槽不铣通。 BT型刀柄的对称性结构使它比其它三种刀柄的高速稳定性要好。 日本标准JISB6339：1998虽已替代了日本工作机械工业会标准MAS－403：1975，但由于其主要外形尺寸相同，对使用基本没影响，所以在不少制造商的样本上仍然标注MAS－403标准代号，而未标注JISB6339。但应注意，这两个标准所用的拉钉是不同的。 其所用的拉钉型号是MAS403-1975（如P30-Ⅰ等）。 目前在国内，数控铣床和镗铣加工中心使用最多的仍是7∶24工具锥柄。但在高速加工机床上，1∶10空心短锥柄的使用正日益增多。对于车削中心和车铣中心，则以1∶10短锥柄使用较多。 另外拉钉也可以根据加工中心要求做一些改动，但最好选用标准拉钉。

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高速加工对刀具夹头的新要求
对于高速加工而言，刀具夹头对于生产的可靠性、加工精度和总成本效应的影响尤其重要。刀具夹头必须是平稳或者易于平稳的，必须具有足够的夹紧力，必须足以应对车间的生产以及各式各样的切削刀具。

当要以15000r/min以上的主轴转速进行高速加工时，人们可能就会发现，需要面对更多的问题：不平衡、振动带来的影响以及径向跳动量扩大等，这些都是导致刀具寿命缩短、产生不良表面质量、造成主轴故障的潜在因素。刀具夹头选择错误，对于用户来说无疑意味着自找麻烦。

现在，人们不得不面对机床转速不断提高的这一事实。特别是汽车轻量化的需要，使铝合金材质工件的高速加工应用更加广泛。高速加工带来的高产量，也让发动机机体、动力驱动系统部件以及冲模和铸模的制造商们受益匪浅。与此同时，高速加工还使轻量化制造变为现实，并且更为可靠。

对于高速加工而言，刀具夹头对于生产的可靠性、加工精度和总成本效应的影响尤其重要。刀具夹头必须是平稳或者易于平稳的，必须具有足够的夹紧力，必须足以应对车间的生产以及各式各样的切削刀具。

刀具夹持技术的最新趋势是采用热缩式夹紧结构，装夹时利用感应或热风加热使刀杆孔膨胀，进行刀具的更换，然后采用风冷使刀具冷却到室温，利用刀杆孔与刀具外径的过盈配合实现夹紧，这种结构使刀具在高转速下仍能保持可靠的夹紧性能，特别适用于更高转速的高速铣削加工。

该系统的设计理念对高速加工来说似乎令人信服。由于其对称性和没有移动部件(如螺钉)，它们具有固有的平衡性，径向跳动为2.5～5.0mm之间或更小，且能提供相当大的夹紧力。据Briney Tooling Systems公司的估计，当镗杆以75kw的功率旋转刀具时，热缩式刀具夹头可提供给锥柄的夹紧力平均为44.5kN。该公司声称，其夹紧能力高于机械或液压卡爪的夹紧力5倍以上。

然而，热缩式刀夹的使用推广却十分缓慢，分析其原因可能存在以下几点：首先，采用热胀冷缩原理的装夹理念尚不为人们广泛接受。有些人对不使用固定螺钉或卡爪来夹紧物件的方式缺乏感性认识，再加上收缩性锥柄必须有与之相匹配的专有锥柄直径，因此，对尺寸各异的刀具来说，使用时好象并不十分灵活。然而，在大批量的汽车部件生产中，这还算不上是什么主要问题，因为，通常人们使用的锥柄都是标准的。尽管可以缩短换刀时间，这个过程所需要的时间甚至低于30秒，但由于存在加热和冷却的过程，仍有某些人对此持否定态度。

此外，成本问题也是人们所需要考虑的。采用热缩式夹紧结构的刀具夹头成本要比其他刀具夹头高出大约30%，而且还需要配备一套感应加热机，其成本从几千美元到1万美元以上不等。但所有接触过热缩式刀具夹头的用户都认为，热缩式刀具夹头在实践中的表现证明，它们确实具有充分的合理性，无论高速加工还是低速加工其优势都显而易见。这一点可通过与采用液压夹紧原理或其他机械方式的刀具夹头进行比较即可看出。这些优势最终体现在切削刀具寿命和高速加工生产力的提高上，加快的进给率和较低的刀具消耗补偿了使用热缩式刀具夹头所带来的成本。

从长远利益来看，如果一个工厂每月要在购买刀具上投入大量资金的话，使用热缩式刀具夹头能够有效地为其降低制造成本。Aisin Drivetrain公司在其传动箱的生产中进行了热缩式刀夹的测试，转速和进给率提高达20%～30%，生产力提高到400%，PCD刀具寿命提高了3 倍。在节省了昂贵的刀具投入成本的同时，也向人们证明了热缩式夹紧结构的合理性。

与此同时，弹簧夹头对于高转速的追求也一直没有停歇。作为最流行的刀具夹头，它们依靠纯机械界面夹紧刀具，适合大范围的椎柄长度和直径，能够为用户提供高度的适用性和柔性。目前，至少有若干供应商有能力提供适用于高速加工的弹簧夹头。

弹簧夹头有着诸多实用优势。很多用户表示，他们更喜欢不需要加热的夹紧方式，这样，一般操作者使用起来会比较安全。弹簧夹头在Z轴向上允许更多的刀具预调整。而对于热缩式刀具夹头来说，要达到这一点需要配备专用预调仪器。尤其是汽车制造业的广大用户，他们更加偏爱具有Z轴向的预调能力，这样能够方便地更换刀具。

弹簧夹头柔性十足。当更换一把带不同直径锥柄的刀具时，只须更换夹套而不是整个刀具夹头。但柔性的代价是夹持特定的刀具时会缺乏刚性，这会导致刀片磨损较大，因而需较频繁地更换刀具。

Rego- Fix公司声称其有一套强力夹紧系统能够与热缩式刀夹相媲美。该公司于2004年推出的powRgrip强力夹持系统，可以通过在夹套和刀柄之间的极度界面配合产生很大的夹紧力。多次刀具更换表明该系统表现良好，据说该系统已经通过超过20000次的刀具插入和卸下的测试记录。卡盘上的唯一磨损件为夹套，而夹套是相对比较便宜的配件。同热缩夹头系统类似，powRgrip也需要一套刀具插入机构。该机构是一台式迷你型压力机，可产生6t的压力，刀具插入或卸下大约需要15秒钟。

Lyndex-Nikken公司也提供高速加工用的弹簧夹头系统。据说，其VC型刀夹特别适用于模具的修整，在40000r/min的高速下运转平稳，在4×D处径向跳动量仅为3mm。此外，该刀夹不需要使用工具或夹具拆装夹头。据Lyndex- Nikken公司介绍，各种特征均使该刀具夹头在40000r/min高速下仍然具有非常高的精度。该夹头带有一加长柄和平的肩部，此特征可保证同心度和合理的力传递。此外，该刀具夹头光滑的外形也降低了在高速加工时的空气流和切削噪音。通过内在特征，如基部的厚壁部分和8°的夹头设计，抑制了谐振，提高了刚性。因为振动能缩短刀具寿命、降低表面精度和磨损主轴，所以，该系统在高速加工时能够吸收和隔离振动的特性是相当有价值的，抑制振动方面优于热缩夹头。此外，VC刀夹还带有TiN涂层，可在紧固螺帽时减小摩擦，所以可采用较大扭矩，同时螺帽下的沟槽可抑制小的谐振。

另一种高速卡盘刀具夹头也可以在40000r/min的高速下达到平衡，这是由BIG Kaiser精密刀具公司推出的BIG-PLUS两面定位主轴系统，是目前世界上唯一能够真正实现“两面定位”的7：24锥柄。使用带BIG-PLUS两面定位主轴系统的Mega夹持系统，提高了主轴和刀具夹头接触面的精度和刚性。据报道，未开槽的螺帽在高速时可消除刀具振动、降低啸声和减少冷却液飞溅。刀具夹头带一套滚珠轴承单向离合系统的专有扳手，作为螺帽紧固时的棘轮。该系列刀具夹头是为最小的刀具设计的，有直径从0.25～38mm不等的四种不同规格：用于小型切削刀具的紧凑区域的Mega微型弹簧夹头;高速加工的标准New Baby弹簧夹头;用于可达12.7mm高夹紧力的端面铣的E型弹簧夹头;以及双动力卡盘，在刀夹体和螺帽之间的双接触螺帽可提高刚性。

无论采用何种刀具夹头，平衡对于高速加工来说都至关重要。在高速加工中，普遍可接受的刀具夹头最大不平衡量为3gmm，但在主轴以30000r/min以上的高速运动时，该不平衡量值降到1g-mm。经对比发现，标准、普通端面铣刀具夹头可表现出250gmm的不平衡量。根据实际使用的转速，这种不平衡可能会带来灾难性的后果。

为了适用于高速加工，有些刀具夹头采用预先调平到指定水平的方式。某些预调刀具夹头供应商也提供平衡设备。这些设备让用户能够平衡刀夹系统，实现优化使用，并降低在高速下由于不平衡带来的离心力而导致的磨损。

即使经过预调，主轴配合不良、刀具的损坏及磨损以及各部件装配公差较松等其他因素也可能会破坏加工中的平衡性。因此，在车间里保持刀具夹头的平衡是很重要的。Rego-Fix提供的一种刀夹方法，其制造的每一个刀具夹头都带有一套沟槽，需要时可加装一套平衡环。这些平衡环绕过刀具夹头卡入沟槽，使得 Rego-Fix的任何标准刀具夹头都具有平衡能力。平衡环结构对超过42000r/min的转速是有效的。作为带平衡能力的刀具夹头，刀具更换后，还需要平衡设备去平衡和检查这些夹头。

对于给定的转速，将刀具夹持系统保持在不平衡阈值以下是很重要的。该阈值随着转速的提高而降低。假如转速为30000r/min或者更快，那么平衡阈值将降低，以至于很小的振动也不允许出现。这种情况下，建议用户在刀具预调整后且刀具夹持系统已经平衡后再使用。即使在低转速下，也需要重新平衡。尤其当在不同的机床上更换保持柄，在高速钢刀具和硬质合金刀具间更换或者更换刀具的设计时。

高效精密立铣加工淬硬模具钢

加工模具钢大部分是在热处理前进行切削加工，主要是平面铣削及型腔、凸模、沟槽等的立铣加工，切削加工后再进行淬火、回火等热处理，此时硬度可高达HRC50～60左右，甚至更高。高硬度可保证模具耐磨，使用寿命长，但热处理后零件易变形，材料变硬，加工性极差，只能用磨削，甚至用手工研磨等方法进行，以达到最终精度要求。但这样的加工效率低，加工不便，生产周期长，交货迟，成本也大为提高，客户不满意。当前事实上已形成这样一个局面，哪一家公司能高效加工模具，交货期短，相应成本低，就能扩大市场，扩大销售，在竞争中赢得胜利。
        为了满足以上要求，人们改变了思路，是否热处理淬硬后也能用刀具切削，特别是各类型腔、型面等的加工也能用立铣刀来加工，且不但用于半精加工，甚至精加工，实现部分或完全以铣代磨。用刀具切削在单位时间对零件切除体积远远大于砂轮磨削的切除体积量，即其效率远远高于磨削，且在设备投资、占地面积、环境保护、降低总成本等多方面带来诸多经济与社会效益。下面分别叙述整体立铣刀为适应上述要求而做的改进。
         
        为切削淬硬钢，在刀具材料上进行的开发与创新
        ◆ CBN（立方氮化硼）材料开始用于立铣刀
        近年来，说起以车代磨、以铣代磨加工淬硬钢，通常首先想到运用CBN（立方氮化硼）刀具材料，CBN其微粒硬度达HV8000～9000，其烧结体硬度PCBN硬度可达HV3000～5000，耐热性达1400～1500℃。PCBN在800℃时硬度还高于陶瓷与硬质合金的常温硬度，故可以硬质合金3～5倍的切削速度进行切削，且其化学稳定性好，在1200～1300℃高温下，也不与铁系材料发生化学反应，与碳也是在2000℃下才发生反应。其对各种材料的粘结、高温时的扩散作用也比硬质合金小得多，因此特别适合于加工钢铁材料。其导热性为硬质合金的20倍，仅次于金钢石，并且它的导热性随着温度的提高而增强。它与不同材料的摩擦系数仅为0.1～0.3。且随着切削速度的提高，摩擦系数下降，而硬质合金的摩擦系数为0.4～0.6。
        三菱较早开发了CBN材料的立铣刀，其CBN—2XLB，型R1x5球头立铣刀（即球头半径为1mm，颈长为5mm）铣削60HRc的SKDII模具钢可以20000转/min的转速，1700mm/min的进给量，0.05mm的切深（背吃刀量），切削了800米，后刀面仅磨损0.03mm。若切深提高到0.1mm，也就是在较高负荷下，切削了400米，后刀面磨损高度仅0.022mm。由于其球头精度高R公差为±5祄，外径公差0～10祄，加工精度很高，为保持同样的高精度，1根CBN高精度球头立铣刀所能加工的表面，若换用相同高精度的硬质合金球头立铣刀需用7～8根。
        在切削淬硬模具钢时，若选择CBN材料，虽价格贵，但因切削速度高可缩短加工时间，延长刀具寿命，提高产品质量，因此可能具有更好的经济性。
        当然如果脱离实际加工条件，一味选用新型材料也可能增加加工成本（CBN刀具刀片价格约是硬质合金的6-10倍）。另外，使用新材料切削条件选用不当时，也会影响加工质量与刀具寿命。故应对整个加工任务进行评估，综合权衡生产批量、加工时间、机床和刀具性能后，在保证加工质量前提下，在较低的切削速度等条件下，有可能选用价格较低的涂层硬质合金刀具，也可以实现较好的加工效果下面介绍。涂层技术与硬质合金材料的新发展。
        ◆ 涂层技术的发展进步为淬硬钢加工带来的成果
        据使用要求的不同，淬硬钢的硬度通常可达到HRc45～68。为顺利切削工件，一般切削刀具的硬度需要达到被切削工件的3～5倍以上为宜。涂层硬度常用维氏硬度（Hv）测定，以三菱产品为例，其TiN涂层立铣刀为Hv1900，Mstar系立铣刀采用（Al，Ti）N涂层为Hv2800，VC型立铣刀即采用(Al，Ti，Si) N涂层的则为Hv3200，最近开发的Impact Miracle纳米级（Al，Ti）N涂层VF型立铣刀，其硬度进一步提高，Hv达到3700，可以说接近了PCBN的硬度值。其氧化开始温度与涂层结合力也进一步提高，摩擦系数则不断下降。三菱各类涂层性能表见下表。以HRc值单纯与Hv值相比的话，HRc68大约相当Hv940，虽各硬度值提高与对比并非线性关系，但可看出Mstar的（Al，Ti）N涂层已可切削淬硬钢，但硬度更高，氧化开始温度更高的Impact Miracle涂层即VF系列立铣刀可获得更佳的效果。
        Impact Miracle涂层VF系列立铣刀的切削实例有：
        1） 以VF-2SB R1球头立铣刀加工高速钢SKH51（M2）制模具，模具硬度HRc65，切削用量为转速20000转/min进给速度6000mm/min，每刃齿进给量为0.15mm/齿，背吃刀量0.07mm侧吃刀量0.2mm，风冷，切削长度达30m后，仍未损伤。
        2） 以VF-MD φ6直角头立铣刀加工模具钢SKDII（HRc60），切削用量为转速8000转/min，进给速度2160mm/min（0.045mm/齿）风冷，切削长度达100m未损。
        3） 以VF-2SB R3球头立铣刀加工热加工用压铸模（材料为DH315、硬度HRc52），切削用量为转速16000转/min，进给速度1600mm/min，0.05mm/齿，背吃刀量（切深）2mm，侧吃刀量0.2mm，顺铣，风冷。该材料韧性很高，切削120多米后才损伤。

为适应淬硬钢加工、立铣刀结构的改进
        1) 球头立铣刀结构的改进，使二主刀刃在顶刃中心构成一点，以免生成横刃，以降低切削力，改善中心部切削，消除啃挤，利于形成并排除切屑，球刃与外周刃间应圆滑过渡不产生接痕。(上图)
        2) 直角头立铣刀与圆孤头立铣刀在底刃上的改进：使底刃位置错开，制造方便，以改善底刃中心部切削条件；并改善槽形以利排屑；刃部倒圆可提高刃口耐破损性，以适应切削高硬度材料。（上图）
        3) 为提高寿命，增强刚性，特别设计了VF-2SSB型短刃立铣刀，全长亦较短，是适热套式夹紧刀柄的立铣刀。
        4) 为了实现“以铣代磨”，达到磨削的高精度，必须提高立铣刀自身的精度。三菱的高精度球头立铣刀，球头半径R精度达±0.002mm，直径精度0～0.01mm。圆弧头立铣刀转角部分圆弧R精度达0～±0.01mm。若在直径公差范围内对整批立铣刀产品按尺寸公差分段划分若干组，则分组尺寸公差必然缩小，可使各组立铣刀加工精度提高，以这样高精度的立铣刀，精加工模具侧面可达到±0.005mm的高精度，从而实现用立铣刀高效高精度加工模具，完全免除了磨削加工。

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不错，学习一哈子。