在鉆削和銑削加工中，控制徑向跳動(dòng)對(duì)于延長(zhǎng)刀具壽命和降低每孔加工成本至關(guān)重要。
    許多加工車(chē)間在做出購(gòu)買(mǎi)刀具夾頭的決策時(shí)，都缺少客觀(guān)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。它們表示，每一家刀具制造商都宣稱(chēng)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(gòu)買(mǎi)決策只能根據(jù)產(chǎn)品價(jià)格來(lái)定奪。
    但是，采用價(jià)格作為標(biāo)準(zhǔn)忽略了徑向跳動(dòng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)徑跳）對(duì)加工精度和刀具壽命的重要影響。許多加工車(chē)間和零件制造商并不清楚，他們可以通過(guò)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(shí)，需要考慮兩個(gè)重要變量：刀具尺寸和材料成分。對(duì)于直徑大于20mm的刀具，0.0127mm的徑跳可能不會(huì)影響加工性能和刀具壽命。然而，對(duì)于直徑更小的刀具來(lái)說(shuō)，可能需要更小的徑跳值才能滿(mǎn)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(zhǎng)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(hù)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(duì)不同的刀具進(jìn)行試驗(yàn)，以評(píng)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(jiàn)表1），每種鉆頭都在相同條件下進(jìn)行試驗(yàn)，每次評(píng)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(shí)可認(rèn)為該刀具壽命完結(jié)）之前，共加工了148個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)試驗(yàn)與前兩個(gè)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(duì)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(shí)，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(hù)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(duì)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(shí)，高速鋼刀具壽命提高了1.3倍。內(nèi)冷卻高速鋼刀具對(duì)徑跳的敏感度更低，當(dāng)徑跳值減小時(shí)，其刀具壽命只提高了60%。
    如果鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)與其中心線(xiàn)不同心，就會(huì)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。基于對(duì)硬質(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(lái)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(shí)，刀具壽命降低了一半。
    許多加工車(chē)間使用的刀具夾頭（如三爪鉆夾頭）使鉆頭徑跳值超過(guò)了0.025mm。根據(jù)前述試驗(yàn)數(shù)據(jù)外推計(jì)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(gè)。而使用質(zhì)量更高（當(dāng)然價(jià)格也更貴）的鉆夾頭，則可以大幅延長(zhǎng)刀具壽命。
    可以用每孔加工成本來(lái)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(jià)格為40美元，在徑跳值為0.002mm時(shí)可加工148個(gè)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(gè)將鉆削成本削減66%的機(jī)會(huì)。
    大昭和精機(jī)還通過(guò)類(lèi)似的切削試驗(yàn)（切削條件見(jiàn)表2），來(lái)確定一支直徑10mm的4刃硬質(zhì)合金立銑刀的銑削長(zhǎng)度。當(dāng)徑跳值從0.015mm減小到0.002mm時(shí)，刀具銑削長(zhǎng)度從161m增加到211m，即刀具壽命延長(zhǎng)了30%。原因很清楚，當(dāng)徑跳僅為0.002mm時(shí)，切削力均勻分布在每個(gè)切削刃上；反之，當(dāng)徑跳為0.015mm時(shí)，過(guò)大的切削力將會(huì)作用在僅僅一個(gè)切削刃上。較小的徑跳有助于使每個(gè)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(zhǎng)：0.1mm
    應(yīng)該根據(jù)刀具的不同直徑來(lái)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(jì)算出直徑更小的刀具及其切屑負(fù)荷對(duì)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(duì)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(shí)，刀具將會(huì)失去平衡。
    在老舊過(guò)時(shí)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(chē)間應(yīng)該定期對(duì)機(jī)床主軸進(jìn)行檢測(cè)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，并能縮短加工輔助時(shí)間，減少對(duì)主軸的維修。檢測(cè)徑跳誤差的一種常用的簡(jiǎn)便方法是用精密杠桿表的直測(cè)桿靠在主軸圓周面上，然后緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，量表示值的最大變化量即為主軸的徑跳誤差。
    動(dòng)態(tài)徑跳測(cè)量裝置對(duì)于高速加工非常有用。當(dāng)主軸低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心力對(duì)徑跳幾乎沒(méi)有影響或影響極小。但是，隨著主軸轉(zhuǎn)速增大，離心力也會(huì)以指數(shù)級(jí)數(shù)成倍增大，并可能造成極大的徑跳誤差。典型的動(dòng)態(tài)徑跳測(cè)量裝置有一個(gè)精密光點(diǎn)，可在X軸和Y軸上對(duì)刀具進(jìn)行激光對(duì)準(zhǔn)精密測(cè)量。大昭和精機(jī)最近對(duì)一些高速主軸的測(cè)試表明，許多機(jī)床盡管在500r/min的低轉(zhuǎn)速時(shí)精度很高，但在30,000r/min的高轉(zhuǎn)速時(shí)徑跳誤差超過(guò)了0.025mm。
    如果加工車(chē)間希望提高刀具壽命，那么許多車(chē)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(gòu)買(mǎi)刀具夾頭的決策僅僅建立在產(chǎn)品價(jià)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(jià)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(chē)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(duì)應(yīng)的夾持范圍。
    在一個(gè)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(jià)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(jí)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(zhǎng)度，從而減小了夾頭的懸伸長(zhǎng)度；與類(lèi)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(guò)預(yù)平衡，圍繞外圓周分布有一些錐孔，可通過(guò)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(hào)彈簧夾頭的徑跳誤差在4倍刀具直徑處不大于3μm，在夾頭端部不大于1μm。
    應(yīng)用實(shí)例：為了控制徑跳，有時(shí)需要更換刀具夾頭。例如，美國(guó)一家模具制造商Ideal Tool公司在對(duì)材質(zhì)為S7工具鋼的沖壓模具進(jìn)行硬銑削時(shí)，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(chē)間一樣，該公司也是以多品種、小批量加工為主，加工時(shí)需要大量更換工裝。采用新夾頭后，更換夾頭的時(shí)間由過(guò)去的5～10分鐘縮短到30秒以?xún)?nèi)。由于加工每件模具最多時(shí)需要更換10次夾頭，因此對(duì)提高生產(chǎn)率的作用是顯而易見(jiàn)的。