在鉆削和銑削加工中，控制徑向跳動對于延長刀具壽命和降低每孔加工成本至關(guān)重要。
許多加工車間在做出購買刀具夾頭的決策時，都缺少客觀的評價標(biāo)準(zhǔn)。它們表示，每一家刀具制造商都宣稱自己的產(chǎn)品具有很高的精度、完美的平衡和強(qiáng)大的夾持力。由于可供選擇的刀具夾頭如此之多，各種產(chǎn)品之間的區(qū)別又如此之小，以至于大多數(shù)購買決策只能根據(jù)產(chǎn)品價格來定奪。
但是，采用價格作為標(biāo)準(zhǔn)忽略了徑向跳動(以下簡稱徑跳)對加工精度和刀具壽命的重要影響。許多加工車間和零件制造商并不清楚，他們可以通過使用正確的刀具夾頭，大大減輕徑跳的不利影響。
在確定可以接受的徑跳值時，需要考慮兩個重要變量：刀具尺寸和材料成分。對于直徑大于20mm的刀具，0.0127mm的徑跳可能不會影響加工性能和刀具壽命。然而，對于直徑更小的刀具來說，可能需要更小的徑跳值才能滿足加工要求。
刀具材料也至關(guān)重要。例如，整體硬質(zhì)合金鉆頭可以達(dá)到比高速鋼鉆頭更長的刀具壽命，但前提條件是必須嚴(yán)格控制徑跳。
在BIG Kaiser精密刀具公司進(jìn)行的一次非正式用戶調(diào)查中，大家公認(rèn)，0.0127mm是可以接受的徑跳值。該公司決定對不同的刀具進(jìn)行試驗(yàn)，以評估這一標(biāo)準(zhǔn)是否合理。日本大昭和精機(jī)公司技術(shù)中心進(jìn)行了鉆削試驗(yàn)(切削條件見表1)，每種鉆頭都在相同條件下進(jìn)行試驗(yàn)，每次評估只考慮徑跳變化。
表1鉆削試驗(yàn)條件
試件材料：1055鋼
表面切削速度(硬質(zhì)合金)：76m/min
表面切削速度(高速鋼)：27m/min
進(jìn)給率：0.1mm/r
鉆孔深度(3D)：12mm
鉆孔深度(5D)：15mm
鉆頭直徑：3mm
第一支直徑3mm的整體硬質(zhì)合金鉆頭的徑跳值為0.002mm，在主切削刃出現(xiàn)0.2mm的磨損(此時可認(rèn)為該刀具壽命完結(jié))之前，共加工了148個深度為3倍孔徑的孔。第二支直徑3mm的整體硬質(zhì)合金鉆頭徑跳值為0.005mm，在相同的切削條件和刀具壽命標(biāo)準(zhǔn)下，只加工了125個孔。此后，又用徑跳值為0.01mm和0.015mm的硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行了兩次鉆削試驗(yàn)，結(jié)果都表明，刀具壽命隨著徑跳值的增大而縮短。
第二個試驗(yàn)采用與上述相同的4種徑跳值、直徑3mm的高速鋼鉆頭加工孔深為3倍孔徑的孔。第三個試驗(yàn)與前兩個試驗(yàn)條件相同，只是采用直徑3mm的內(nèi)冷卻高速鋼鉆頭加工孔深為5倍孔徑的孔。
分析試驗(yàn)結(jié)果，可得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：
(1)硬質(zhì)合金刀具對因徑跳而導(dǎo)致刀具壽命縮短的敏感度最高。當(dāng)徑跳值從0.015mm減小到0.002mm時，整體硬質(zhì)合金鉆頭的刀具壽命提高了2倍。需要注意，在我們的調(diào)查中，刀具用戶認(rèn)為，0.0127mm的徑跳值是可以接受的(平均值)。
(2)高速鋼刀具對因徑跳而導(dǎo)致刀具壽命縮短的敏感度略低于硬質(zhì)合金刀具。當(dāng)徑跳值從0.015mm減小到0.002mm時，高速鋼刀具壽命提高了1.3倍。內(nèi)冷卻高速鋼刀具對徑跳的敏感度更低，當(dāng)徑跳值減小時，其刀具壽命只提高了60%。
如果鉆頭的轉(zhuǎn)動與其中心線不同心，就會在其最高的刃帶上產(chǎn)生較大的徑向切削力，造成鉆頭單邊磨損量加大?；趯τ操|(zhì)合金和高速鋼刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)的平均結(jié)果，這一磨損量數(shù)據(jù)被用于確定刀具壽命效率。利用該數(shù)據(jù)，就可以根據(jù)徑跳值來確定刀具壽命效率。因此，徑跳為“0”(理論上)就等于刀具壽命效率為100%。當(dāng)徑跳值為“可接受的平均值”0.0127mm時，刀具壽命降低了一半。
許多加工車間使用的刀具夾頭(如三爪鉆夾頭)使鉆頭徑跳值超過了0.025mm。根據(jù)前述試驗(yàn)數(shù)據(jù)外推計算，徑跳值為0.025mm的整體硬質(zhì)合金鉆頭可加工的孔數(shù)還不到25個。而使用質(zhì)量更高(當(dāng)然價格也更貴)的鉆夾頭，則可以大幅延長刀具壽命。
可以用每孔加工成本來衡量由此節(jié)省的成本。在上述試驗(yàn)中使用的整體硬質(zhì)合金鉆頭(直徑3mm)平均每支價格為40美元，在徑跳值為0.002mm時可加工148個孔，即每孔加工成本為0.27美元。因此，制造商愿意接受0.0127mm的徑跳值，相當(dāng)于放棄了一個將鉆削成本削減66%的機(jī)會。
大昭和精機(jī)還通過類似的切削試驗(yàn)(切削條件見表2)，來確定一支直徑10mm的4刃硬質(zhì)合金立銑刀的銑削長度。當(dāng)徑跳值從0.015mm減小到0.002mm時，刀具銑削長度從161m增加到211m，即刀具壽命延長了30%。原因很清楚，當(dāng)徑跳僅為0.002mm時，切削力均勻分布在每個切削刃上；反之，當(dāng)徑跳為0.015mm時，過大的切削力將會作用在僅僅一個切削刃上。較小的徑跳有助于使每個切削刃的切深保持穩(wěn)定，并獲得更好的表面光潔度。
表2銑削試驗(yàn)條件
試件材料：1055鋼
表面切削速度：90m/min
主軸轉(zhuǎn)速：2,900r/min
進(jìn)給率：0.1mm/每刃
進(jìn)給速度：1,180mm/min
軸向切深：15mm
徑向步長：0.1mm
應(yīng)該根據(jù)刀具的不同直徑來確定允許的徑跳誤差值(TIR)。刀具直徑與徑跳值之間的關(guān)系是切屑負(fù)荷的函數(shù)。該數(shù)據(jù)將0.0127mm作為直徑12.7mm刀具允許徑跳誤差值(TIR)的起點(diǎn)，據(jù)此可以計算出直徑更小的刀具及其切屑負(fù)荷對應(yīng)的允許TIR值。例如，如果用一把直徑1.588mm的3刃立銑刀對模具鋼進(jìn)行成形銑削，其有效切屑負(fù)荷為0.005mm/每刃，這就意味著，當(dāng)徑跳值為0.0127mm時，刀具將會失去平衡。
在老舊過時或已經(jīng)磨損的機(jī)床主軸上，即使是質(zhì)量最好的彈簧夾頭也難以發(fā)揮出優(yōu)良的性能。加工車間應(yīng)該定期對機(jī)床主軸進(jìn)行檢測，以及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，并能縮短加工輔助時間，減少對主軸的維修。檢測徑跳誤差的一種常用的簡便方法是用精密杠桿表的直測桿靠在主軸圓周面上，然后緩慢轉(zhuǎn)動主軸，量表示值的最大變化量即為主軸的徑跳誤差。
動態(tài)徑跳測量裝置對于高速加工非常有用。當(dāng)主軸低速旋轉(zhuǎn)時，離心力對徑跳幾乎沒有影響或影響極小。但是，隨著主軸轉(zhuǎn)速增大，離心力也會以指數(shù)級數(shù)成倍增大，并可能造成極大的徑跳誤差。典型的動態(tài)徑跳測量裝置有一個精密光點(diǎn)，可在X軸和Y軸上對刀具進(jìn)行激光對準(zhǔn)精密測量。大昭和精機(jī)最近對一些高速主軸的測試表明，許多機(jī)床盡管在500r/min的低轉(zhuǎn)速時精度很高，但在30,000r/min的高轉(zhuǎn)速時徑跳誤差超過了0.025mm。
如果加工車間希望提高刀具壽命，那么許多車間認(rèn)為可以接受的徑跳誤差實(shí)際上是不可接受的。將購買刀具夾頭的決策僅僅建立在產(chǎn)品價格基礎(chǔ)上的制造商，最終可能需要根據(jù)刀具壽命和每孔(件)加工成本，選擇價格更高、質(zhì)量更好的刀具夾頭。
鏈接：可控制刀具徑跳的彈簧夾頭
希望控制徑跳的加工車間應(yīng)該密切關(guān)注刀具夾頭的一些特點(diǎn)，如錐面接觸、夾頭錐角以及對應(yīng)的夾持范圍。
在一個典型的彈簧夾頭系統(tǒng)中，夾頭錐角為16°，夾持范圍為1mm。但是，獲得這一夾持范圍的代價是減小了徑跳控制和夾持力。例如，大昭和精機(jī)的BIG Mega New Baby彈簧夾頭采用了12°的夾頭錐角，相應(yīng)的夾持范圍僅為0.5mm，但與錐角更大的夾頭相比，它具有更好的徑跳控制和夾持力。該公司的另一種產(chǎn)品BIG Mega E彈簧夾頭用于夾持立銑刀，其夾頭錐角僅為8°，因此具有更大的夾持力、更好的剛性和更小的徑跳，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高速銑削。用于夾持微型刀具的BIG Mega Micro彈簧夾頭也采用了較小的夾頭錐角，為了控制徑跳，該系列夾頭的直徑規(guī)格增量為0.1mm。
提高夾持刀具的同心度和增大夾持力也能減小刀具的徑跳。例如，大昭和精機(jī)的Mega ER Grip型AA級彈簧夾頭系統(tǒng)的夾持直徑尺寸分別為2～3mm(尺寸增量0.1mm)、3～6mm(尺寸增量0.25mm)和6～20mm(尺寸增量0.5mm)。這種夾頭較小的夾持范圍使其與刀具柄部具有更好的同心度，從而減小了徑跳。該夾頭體增大了內(nèi)錐面的接觸長度，從而減小了夾頭的懸伸長度；與類似產(chǎn)品相比，其夾持范圍也較小。這些特點(diǎn)提高了夾頭的剛度、夾持力和徑跳精度。該系統(tǒng)的夾頭體經(jīng)過預(yù)平衡，圍繞外圓周分布有一些錐孔，可通過螺釘精確調(diào)節(jié)平衡；而且它采用了雙重接觸界面。
大昭和精機(jī)保證，其所有型號彈簧夾頭的徑跳誤差在4倍刀具直徑處不大于3?m，在夾頭端部不大于1?m。
應(yīng)用實(shí)例：為了控制徑跳，有時需要更換刀具夾頭。例如，美國一家模具制造商Ideal Tool公司在對材質(zhì)為S7工具鋼的沖壓模具進(jìn)行硬銑削時，徑跳達(dá)到0.025～0.038mm。該公司在換用大昭和精機(jī)的HSK-A63 Mega New Baby彈簧夾頭后，徑跳降至0.0127mm。
Ideal Tool公司采用Makino V55立式加工中心(HSK-A63主軸)，以20,000r/min的轉(zhuǎn)速和3810mm/min的進(jìn)給量進(jìn)行加工。與大多數(shù)模具加工車間一樣，該公司也是以多品種、小批量加工為主，加工時需要大量更換工裝。采用新夾頭后，更換夾頭的時間由過去的5～10分鐘縮短到30秒以內(nèi)。由于加工每件模具最多時需要更換10次夾頭，因此對提高生產(chǎn)率的作用是顯而易見的。