应用于高精度微细切削的刀夹系统

Schunk公司的Tribos三棱应力锁紧夹头采用一个三棱形的刀具夹持孔替代了一个园形孔，借助于一个夹紧装置，从外部对刀夹施以一定的压力，使夹持孔在持久弹性变形的范围内变成一个圆柱孔。按此方法，通过附加的精加工就可以显著地减少工件几何形状的偏差。

充分利用切削加工的可能性，这是Mitec公司生产和开发部门的领导Maik Harbich先生和主管开发、研究和模具制造的Steffen Eckert先生的日常事务：“我们参与解决极限的技术难题。”这个12人的企业，他们特别重要的客户包括大学研究所，弗劳恩霍夫应用技术促进协会以及来自生物医学技术、传感器、电子技术和光学技术等工业的企业。在极端微型化方面，Mitec公司是为数不多的著名专家之一。微型构件的技术专家，通过铣削、电火花加工和线切割电火花加工这三种核心工艺技术开发极小构件和微型模具的理念和解决方案。与此同时，不仅加工模具，而且小批量加工达到300件的零件。

根据Maik Harbich先生的看法，铣削加工极小结构件存在着巨大的市场潜力：“铣削工艺，在费用方面要比电火花加工或者比已在微型技术领域广泛使用的材料累积成型工艺要明显地低。”例如，同步X射线光刻电铸塑注成型法（LiGA）（LiGA技术是基于X射线深度光刻技术，并与电铸制模和注塑复制完美结合的一种三维微细加工技术——译注）工艺需要较高的费用和能量输入。当改变采用微细铣削时，可以很轻易地节省50%多的费用。“而这又是在较高精度的情况下取得的”，Maik Harbich先生说。与此同时，未来市场将提供巨大的发展可能性，因为对于最终的产品通常涉及到大量生产，而对于大批生产的零件其成本会计算每个欧分。目前，已经能以较高的精度并同时又以比较低的费用来铣削加工一些芯片的微型模具。

当然，卓有成效的进行微细切削，重要的前提是要具有很高回转精度和较高平衡品质的刀具夹紧系统，Maik Harbich先生强调说。否则，不可能达到最低限度的公差。“Schunk公司的Tribos三棱应力锁紧夹头是采用30mm直径的铣刀获得精密加工成果的第一个刀夹系统”。Maik Harbich先生谈到铣削工艺时说。“采用热装冷缩式刀夹和其他一些夹紧系统是不可能实现这样一些高要求的加工的。”一年多以来，Mitec公司已采用高精度的Tribos刀夹并通过这种刀夹加工硬度达64HRC的淬硬材料。

关于刀夹持有较高回转精度的秘密是在于其夹紧原理：刀夹系统采用一个三棱形的刀具夹持孔替代了一个园形孔。借助于一个夹紧装置，从外部对刀夹施以一定的压力，使夹持孔在持久弹性变形的范围内变成一个圆柱孔。这个变形过程是在低于Rp-0.2%的蠕变极限范围内变动，以致使钢材内部不可能发生金相组织的变化。在这种情况下，刀具的刀柄就可轻而易举地插入到刀夹里，接着减小施加的外力。由于刀夹材料的弹性，刀夹夹持孔的内直径恢复三棱形孔的原始的状态，从而通过钢材的内应力将刀具的刀柄进行应力锁紧。即使是对于0.3mm以上极小的刀具直径，这种夹头也是适用的。

由于在悬伸长为2.5×D时，回转精度和重复精度达到<0.003mm并在25000 r/min的转速下平衡品质达G2.5，使刀夹可以满足很高的加工要求。因为在Tribos刀夹上没有移动的构件，夹紧系统在机械上并不敏感。疲劳试验表明，即使经1000次的重复夹紧，并没有出现任何的材料疲劳现象。

Maik Harbich先生看来，刀夹系统的平衡品质和持久不变的高回转精度，对成功地进行微细切削具有决定性的意义。所以，在微细铣削时，加工的公差部分可一下子达到±3μm。微型模的坡口精度达10祄。而对于采用回转精度不怎么高的刀夹来说 ，这样的精度毫无疑问是达不到的。“Tribos应力锁紧夹头能可靠持久地达到一个特别高的回转精度，这对于获得这样小的精确尺寸是有益的。”

适合于高速加工的精密刀夹适用于按h6精度制造的所有刀柄，根据刀夹的型号，采用了高达205000r/min的转速进行测试。这种刀夹几乎是无需进行维护，也没有磨损，可在各种不同的行业内获得最光洁的加工表面、较长的刀具寿命和较高的切削效率。

对于特别精细的加工，Mitec公司采用了Tribos-S型夹头，这种刀夹的优点在于能比其他的刀夹在纵向更适合在难于接近的加工部位实施加工。Tribos-S型夹头也具有能长期保持的高回转精度<0.003mm，并在25000r/min的转速下进行动平衡，平衡品质G2.5。这种细长的具有精密品质的夹头是针对转速范围高达80000r/min的情况设计制造的。由于它的质量较轻，在加工时可以采用较高的进给速度。

另外，Mitec公司还采用了专门以较高的转速（范围）进行精密重切削的Tribos-RM型夹头，这种结构紧凑的刀夹具有较高的径向刚性，以便能充分利用现代高速加工中心的加工能力。夹紧系统满足了高速加工方面极端和多方面的要求，并成功地应用于微细加工。夹头还在超过80000r/min的转速进行了测试。在极高的回转精度下，夹紧力有助于提高切削能力和提高生产率。Tribos-RM型夹头通过其格子形的结构来抑制振动，并使刀具保持较长的寿命。HSK-E25、32、40、ISO10和HSK-A40等不同规格的接口结构也适用于高动态加工中心。为了避免在高速加工时从主轴抽吸冷却润滑油和喷洒到机床上，在Mitec公司里，在刀柄的后端用螺堵把冷却润滑液通孔拧堵，另外还用树脂进行封死。除了刀夹以外，机床、主轴、刀柄和刀具间的很好适配是Mitec公司获得良好成果的重要保证。

采用3mm或4mm的刀柄直径和最小为0.1mm的刀刃直径经切削表明是可靠的。在一系列的试验中，部分还甚至采用了Hitachi(日立)公司的更小直径的铣刀。此外，Mitec公司通过牧野公司的5轴机床V22-5XB，为模具制造提供了一台高精度的加工设备，它的两侧支承的摆动回转坐标轴的精度，是在市场可得到的所有坐标轴精度中最高的。工件上的侧凹，斜孔和复杂的几何形状可以采用较短的刀具来进行加工。这有助于提高刀具的寿命和获得光洁的加工表面。对于Mitec公司同样十分关键的是：极高的刚性和通过外部主轴冷却实施温控。所获成果给人印象深刻：“在对工件进行全部加工时，工件表面的粗糙度达到了0.2μm。按此方法，通过附加的精加工就可以显著地减少工件几何形状的偏差。