防止脱落的更高安全性：铣刀柄上设有螺纹键槽，在键槽中设置了锁紧型夹持装置
图1 Safe-Lock系统为一种针对高效切削时防刀具脱出的锁定系统，图中所示该系统在收缩状态下的结构
图2 Safe-Lock系统把收缩或其他卡盘与闭锁型元件结合在一起
图3 Power Shrink Chuck收缩卡盘有两种型号：长型(a)和短型(b)。它可以达到很高的表面质量，并可以应用在各种难切削的加工场合

 

在探寻一种针对高效铣削加工设计的最佳卡盘过程中，美国一家飞机制造厂家对配有新研发的Safe-Lock安全锁紧系统的Haimer收缩卡盘进行了测试(图1)。这种卡具主要是收缩卡盘与锁紧元件的一种组合应用。

 

铣削加工在飞机制造业中起着重要的作用。在生产压铸件时，需要用到刀具和模具。此外， 锻造件也需要二次加工，然后方可被用到，如行走机构等部位上。航空工业所采用的特种材料(如铝、钛和复合材料)和外形常常给加工作业带来了困难。航空制造业的另一个特点是对带有大量空穴的大型结构件进行铣削，此类工件将从一个整体实心件开始铣削加工，往往会有高达90%的原始材料会被切削掉。所有这些加工都必须达到最高的质量和最高的精度，对此除了机床设备之外，夹具的作用也非常重要。对钛合金件的加工同样面临巨大挑战，这是因为所追求的加工速度很慢，而切屑量却很大。

 

竞争压力也促使航空制造业更加注重生产效率。因此，把设备驱动功率利用到极限的高效铣削(即高性能切割，HPC)受到了行业的热捧。长久以来，市场上具备促进此类加工作业的特种工具可供使用，这些工具能够承受很高的转矩、进给力和拉力。

摩擦连接型卡盘的夹持力受限

在此载荷条件下，铣刀从卡盘中脱出的危险性加大；因此至少需要一种同圆精度高、张紧力准确的刀具夹持装置，如收缩卡盘或液力膨胀卡盘。这种卡盘采用摩擦锁定的机理，夹持力受到一定的限制，且在HPC加工场合夹持力有时会不足。作为可选项，用户有时候会避而选择传统的Weldon刀具夹持装置，其张紧螺栓可以起到力的闭锁作用。由此转矩可以被任意传递，直至铣刀被折断为止。但是，用户在选择Weldon刀具夹持装置时，等于又把大家所熟知的缺点同时带回了家：同圆性精度不足和夹持状态不佳，这是因为卡盘上的刀柄需要有一点间隙，应用在HPC场合的刀具较昂贵，且使用寿命较短。对其他方案尚未做出考虑，这也是Haimer公司刀具夹持专家面临的一个挑战。他们研发出一种被称为Safe-Lock(安全锁定)的系统，它把收缩卡盘或其他精确卡盘与闭锁型元件结合在一起(图1～3)。系统的原理是：铣刀炳上设有螺纹型槽，槽里设置了闭锁型卡具。通过螺纹型键槽，刀具可以同时被紧固住，避免旋拧过度和脱落。这也可以是滚珠或销钉。由此，人们即把收缩张紧的高精度与闭锁功能的优点结合在一起。

刀具长度可调

这还远远不够。通过键槽的螺纹造型，对刀具的长度进行调节，夹持过程非常简单。人们像以往一样对卡盘进行加热，再通过螺栓动作导入刀具。滚珠或销钉在转动过程中自行进入到键槽里。弹簧对无间隙的刀具附件进行支撑。几秒钟之后，夹持器冷却下来，由此便建立起一种摩擦和闭锁连接。

 

Safe-Lock系统在历经内外部的强化性测试之后，已经充分证明了其实用性。但是，最大和令人印象最深刻的一次强度测试，是不久前在美国一家大型飞机制造厂的新的飞机元部件生产中进行的。在加工钛金属时，刀具从所有高精度的刀具夹持器的卡盘上脱出。这也导致了贵重工件的严重受损。随即所选用Weldon夹持器却达不到所需的精度，从而造成刀具使用寿命不足。因此，该生产部门负责人愿意试用带有Safe-Lock系统的Haimer公司的Power Shrink Chuck新型收缩卡盘。在一台带有HSK-A-100接口的立式龙门铣床上，使用了一套Power-Shrink-Safe-Lock收缩卡盘，卡盘长120mm，并设有一个32mm的钻孔。针对粗加工和精加工，都采用同一种镀层的全硬金属刀具，其有效切割长度为83mm。作为测试样件，使用了一件苛刻的由钛6AL4V材质构成的飞机部件。在试验过程中，在设备主轴上对刀具刀尖的同圆度进行了测量(总的凸出长度：171mm)。在带有Haimer公司的Safe-Lock系统的情况下，同圆度为0.005mm。在同等条件下使用另一家供应厂商的Weldon夹持器时，其同圆度数值只达到0.05~0.08mm之间，比Power-Shrink-Safe-Lock卡盘的测量值差十倍。

 

刀具脱出也不再是问题：由于采用Safe-Lock系统，刀具在整个加工过程中在卡盘上没有出现移动现象。此次强度试验的结果甚至超出了生产部门负责人的预期：由于采用Safe-Lock卡盘，刀具的使用寿命延长了两倍多。在表面质量方面，也存在着明显的差异。不管是粗加工还是精加工，采用Safe-Lock卡盘系统之后，不会产生振动现象，因此也就不会出现波纹痕——这一点与Weldon卡盘正好相反。这种差异非常明显。

Safe-Lock系统不仅只用于收缩卡盘

Safe-Lock系统的原理并不受Haimer收缩卡盘的限制。它也可以被集成到夹钳卡盘或液力膨胀卡盘上。由于Haimer公司对此已申请了专利，并想作为一种标准配置推荐给用户，因此目前正在与刀具制造厂和其他刀具夹持器的供应厂商进行合作。其经验和想法应该会融入到对Safe-Lock系统的进一步优化中去。
图4 一种带有铣刀、可左转和右转的Weldon与Safe-Lock的组合装置。

• SAFE-LOCK系统综合技术方案
Haimer公司开发出了一种结合Weldon卡盘和Safe-Lock系统、可针对各种苛刻加工条件使刀具标准化的技术方案。为了使刀具制造厂商能够实现较强的标准化，在将来，Weldon卡盘和Safe-Lock系统可以被结合在一起。两种不同的刀具夹持和锁紧方案对于刀具的制造厂商及其用户来说，意味着对不同夹持技术的更灵活的应用。通过在一个刀具上结合使用Weldon面和Safe-Lock键槽，实现了一种可靠的夹持技术与一种新型刀具锁定技术的良好结合。