液壓夾緊軸套在木材加工設備中的應用

呂海東

[摘 要]:隨著人們對木質產品的質量與加工精度要求的提高,液壓夾緊軸套成為目前木材加工行業普遍采用的刀具裝夾技術。本文就其國內外研究現狀、內部構造、使用特點、操作與保養注意事項進行了闡述,并對市場上普遍使用的液壓夾緊軸套材料和一種新工藝材料進行了對比,展望了其今后的發展趨勢。

[關鍵詞]:液壓夾緊軸套 構造特點 材料

隨著木材工業的發展,企業對四面刨精度和生產能力的要求越來越高。一些四面刨進給速度在80m/min以上,高速四面刨進給速度可達350m/min,刀軸轉速高達20000～30000r/min,而高速切削技術發展與運用是當今木材加工領域的重要發展趨勢。增加刀軸轉速,提高進給速度是當前以回轉方式進行切削加工設備的主要發展特點之一。在如此高的旋轉和進給速度下,設備上使用的刀具系統必須要具備良好的性能要求以保證每個刀齒均衡切削和光滑的產品表面,這些都對刀具系統提出了更高的要求。一要消除刀具和刀軸的配合間隙。二要解決裝刀卡套剛性不足的問題。三要滿足高轉速的要求,同時要求裝刀卡套結構小、質量輕、剛性好、轉速高(如圖1所示)。

液壓夾緊軸套是目前高速木材加工設備上普遍采用的刀具裝夾技術。由于具有極高的夾持回轉精度、重復定位精度、優良的動平衡和阻尼減振性能,液壓夾緊軸套能夠適應極高的轉速和進給速度,可以顯著地提高加工精度、改善加工表面質量和延長刀具的耐用度,可應用于任意以回轉方式切削的木材加工設備上,如板式家具的雙端銑、CNC加工中心、多鋸片圓鋸機及高速四面刨等。

對于木工刀具液壓夾緊系統的研究,國內尚屬空白。國外目前只有瑞典ETP公司一家,而且開發的木工刀具液壓夾緊裝置結構多為單腔體,僅液壓軸套內壁與機床主軸的連接部分具有液壓夾緊功能,刀具與液壓軸套外壁的連接不是液壓夾緊而是依靠銷釘鎖緊。這種裝置不足之處是對刀調節較困難,每次裝拆刀具時都需將刀具連同夾緊裝置一起進行,對操作人員的要求較高。針對這一問題,瑞典ETP公司開發出具有快速換刀結構的液壓夾緊軸套。這種裝置能實現快速裝夾,但由于其結構仍為單腔體,在實際應用時主要進行粗切削加工。至于理論研究方面,目前還沒有形成文獻。

國內目前已有幾十家地板廠引進了一些木工刀具液壓夾緊裝置,但由于成本原因,應用范圍僅限于三氧化二鋁強化地板快速生產線的刀具、高速四面刨的刀具、薄鋸路圓鋸片等方面。除了南京林業大學曹平祥博士對木工刀具液壓夾緊裝置的原理及應用作了介紹外,目前也未見其他相關文獻。

國內研究人員正在針對快速液壓裝夾系統進行研制。該系統具有兩部分功能:施壓卸載和快速裝卸刀具。施壓卸載部分的結構為雙腔體,利用液壓介質使腔壁產生變形來分別對電機主軸和刀具進行定心夾緊作用。快速裝卸刀具部分是利用氣能和機械能對刀具進行裝卸作用。該系統操作方式簡單靈活,對操作人員沒有特殊的要求,且完全具有國外同類產品的優點,目前已經取得了巨大進展。

液壓夾緊套的內部有一空腔(如圖2所示),充滿了液壓油或油脂。施壓時,液壓軸套內壁膨脹,均勻地包緊刀軸,完全消除了刀具和刀軸的配合間隙,保證了刀具回轉中心和刀具旋轉軸線一致,減小了刀齒的徑向跳動,保證所有刀齒均衡參加切削。

高速切削設備上所使用的刀具系統必須為零間隙配合。這就要求刀具與裝刀軸套以及裝刀軸套與電機主軸的聯結方式不適宜采用鍵聯結的方式。根據液壓夾緊軸套的結構和工作原理說明,軸套在工作時相當于電機主軸和刀具間通過與軸套的過盈聯結使刀具產生回轉運動(如圖3所示)。通常情況下,刀具和刀軸之間的配合間隙可達0.05mm,液壓軸套能從根本上解決由此配合間隙引起的刀齒徑向跳動,配備了液壓軸套的刀具,具有裝夾精度高,刀具拆裝方便,夾緊安全可靠的特點,適應了高速切削的加工要求。

液壓夾緊軸套具有如下優點。

(1)減小刀具振動,降低軸承磨損,延長軸承使用壽命。

(2)降低切削平面木材的破壞不平度和運動波紋,提高了工件表面的加工質量。

(3)延長了刀具的使用壽命。

(4)刀具裝卸方便,縮短換刀和停機時間。

(5)夾緊精度的重復性很高,安全可靠。

在實際切削中,由于木材密度、硬度、含水率等諸多因素的影響,并不能完全達到理想切削狀態,刀具的各刀齒受制造精度和振動的影響,也不能達到均衡切削。從加工效果來看,均衡銑削和非均衡銑削的切削工件表面質量相差較大。理論研究證明,波紋深度與齒數平方成正比。

液壓夾緊軸套是比較精密的部件,應遵照使用說明,正確操作和妥善保養。使用時,應注意以下事項。

(1)軸套沒有裝在刀軸上時,不能施壓。

(2)安裝之前,要清潔刀軸表面和軸套內壁。

(3)安裝在刀軸時,軸套的八角定位套與軸肩的外八角相配,實現周向鎖緊。

(4)軸套安裝刀軸上,能輕松往復移動。

(5)加壓時,施壓螺釘頂住限位柱塞或達到30MPa的壓力。

(6)泄壓時,施壓螺釘觸及定位銷或油脂完全排出。

(7)刀具在啟動之前,應檢查軸套是否松動。

(8)刀軸直徑公差等級應和液壓夾緊套相配,不宜在低精度的刀軸上使用液壓夾緊軸套,否則軸套會因內壁變形過大導致塑性變形而損壞。

目前市場上使用的液壓夾緊軸套材料為鋼-銅合金雙金屬軸套,工業性的批量制坯和軸套工藝有兩類:一類為在無縫鋼管內壁澆鑄上銅合金制成的整圓軸套,零件的剛度、強度等機械性能較好。另一類為鋼-燒結銅合金冷軋制成雙金屬板材卷制的軸套,在生產效率上比前者又有所提高。但二者均存在如下問題:即雙金屬板上燒結的銅合金一般是用軋機冷軋制的,其相對密度為≤97%,不能作為高性能的零件使用;襯套的卷制,不管是對接的還是搭接的都有一條接縫,使得軸套維持精度差。這兩點不足都直接影響到軸套的機械性能和使用性能。

為了克服以上不足,提高軸套的機械技術性能,

節省金屬材料,特別是節約有色金屬材料、節省加工工序、節省材料的制造設備、節省軸套加工的工裝模具和機床,一種新型軸套加工技術“燒結擺輾法”研究取得了成果并逐步向市場推廣。這項技術能夠在無縫鋼管的內壁上燒結銅合金、采用徑向擺輾機將燒結上的銅合金襯層致密到≥98%,達到機械結構零件的性能要求,首創了制造鋼-燒結銅合金整圓雙金屬軸套零件材料。其產品結構為整圓,剛度好、維持精度好、便于在自動生產線上實現自動化裝配、生產效率高、加工工序少、材料利用率高、制造成本低。具有較好的市場前景。

切削材料、加工工藝和制造設備,是保證木材產品加工質量和精度的重要依托,切削刀具的研制與開發是其間的重要環節。因此,逐步完善刀具自身的結構和耐用度,進一步提高切削質量和效率,加速快速液壓夾緊裝置的“國產化”進程,使取代進口產品、降低生產成本成為可能,優化液壓夾緊軸套的結構設計和使用安全性,如活塞可實現單向或雙向夾緊、多次安裝后仍然可以保證端向跳動精度和同心性、軸套安裝到刀軸上后才可以激活液壓夾緊功能、安裝時配備安全鎖緊蓋等功能是今后的研究重點,這有利于其在我國木材加工行業進行更廣泛的應用。保證這些關鍵技術點才可有效推進木材加工產業的自動化程度和產業升級。

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