動力刀座發展與應用現狀研究

郭智春， 劉偉

（1.沈陽機床（集團）設計研究院有限公司設計研究院研發部，沈陽 110142；2.沈陽機床（集團）有限責任公司沈陽機床數控刀架分公司，沈陽 110142）

0 引言

車銑復合加工中心是民用裝備制造業以及航空、航天、軍工、發電等重要工業部門的關鍵加工設備。動力刀座是車削中心數控刀架上的主要配套元件，動力刀座的使用拓展了機床的加工范圍和整體制造能力，提高了機床加工效率和加工精度［1-4］。

本文主要介紹動力刀座的基本結構和工作原理，并分析目前動力刀座驅動接口形式、聯接安裝結構、切削功能單元和刀具夾持接口等主要構成模塊的研究、發展和應用現狀。

1 動力刀座的基本結構和工作原理

動力刀座的基本結構如圖1所示。

圖1 動力刀座的基本結構

動力刀座通過刀柄8安裝到刀架的刀盤上，圖1為典型的VDI刀柄聯接形式，通過刀柄8上的斜楔固定牙2固定刀柄，常見的連接方式還有BMT和CDI等形式。刀柄8末端有驅動接口1，動力切削時刀架通過內部的離合器結構驅動驅動接口1，將動力從刀架傳遞給動力刀座內部的傳動齒輪3等傳動機構。傳動齒輪3和軸承5等傳動部件安裝在刀架外殼4的內腔中，將動力從驅動接口1傳遞給刀具夾持接口6，刀具夾持接口6上安裝切削刀具實現動力切削加工。冷卻液出口7排出冷卻液，用于加工過程中對工件進行冷卻。圖1所示為直動力刀座的傳動結構，采用其他的傳動結構形式可在夾持接口處得到多種不同的運動方式、實現特點的切削功能。

2 動力刀座主要功能模塊

如圖2所示，動力刀座各部分按照功能的不同，可分為驅動接口、聯接安裝結構、切削功能單元和刀具夾持接口。

圖2 動力刀座主要功能模塊

2.1 驅動接口

驅動接口是動力刀座與刀架離合器結構聯接驅動的部件，其中最廣泛采用的是標準化的DIN 1809、DIN 5480接口和DIN 5482接口。DIN 1809為凸榫式“一”字型鍵結構傳動，結構簡單，但存在一定的反向間隙，有沖擊。DIN 5480和DIN 5482為花鍵結構傳動，沒有反向間隙，傳動平穩。

除上述接口外，不同刀架和刀座制造企業還采用傘齒輪接口、齒盤型接口和梅花型接口等形式。梅花型接口根據不同的生產企業還有Baruffaldi TOEM MT、Duplomatic IT、OKUMA 1step、OKUMA 1step等形式，上述接口主要應用于特定企業定制產品，沒有凸榫式和花鍵式驅動接口使用廣泛。

2.2 聯接安裝結構

動力刀座和刀盤聯接形式有VDI、BMT和CDI等形式。CDI連接形式屬于山特維克企業面向高端的特殊定制產品，采用內置Capto系統精確定位，4個螺釘夾緊保證剛度。本文重點介紹VDI和BMT刀座刀盤聯接形式。VDI采用標準化DIN69880刀柄聯接結構，刀柄上有鋸齒面，通過斜楔將刀柄固定在刀盤上，利用鋸齒面和定位銷定位，冷卻液通過定位銷孔提供。優點是快速換刀、標準化聯接，供應商多，選擇范圍廣泛。缺點是刀座剛性和在刀塔上的固定剛性差，重復定位精度差，調整難度大，夾緊力小。

BMT為非標準聯接，采用4個鍵定位，通過4個螺釘固定，扳手安裝，附加孔提供冷卻。優點是刀座本身以及在刀塔上的固定剛性好，比VDI的重復定位精度高。缺點是安裝形式出現時間較晚，目前還沒有統一的標準，各個廠家都有各自不同的BMT接口，互換性差，生產的廠家還比較少，多為日韓系機床廠商使用。

圖3 BMT和VDI刀盤對比

2.3 切削功能單元

切削功能單元主要采用齒輪傳動，將動力由驅動接口傳遞給刀具夾持接口，圖4為直刀座和直角動力刀座的傳動原理圖。直刀座動力驅動接口軸線方向與刀具夾持接口軸線方向重合，圖4實例采用的是行星輪系傳動。直角刀座動力驅動接口軸線方向與刀具夾持接口軸線方向相互垂直，圖4實例采用的是一級錐齒二級直齒輪輪傳動。

圖4 直刀座和直角刀座

除直動力刀座和直角動力刀座外，目前刀座生產企業還研發了具有拉削功能的拉刀功能單元、具有動力驅動接口軸線方向與刀具夾持接口軸線方向角度可調的旋轉頭功能單元、具有雙向夾持刀具功能的雙向加工頭單元、具有多孔同時鉆削功能的多軸鉆削頭功能單元等眾多功能單元。專用功能單元的出現，極大擴展了刀架的加工范圍，專用功能單元是動力刀座制造企業在國內外機床展覽會上的重要參展產品，代表了刀座制造企業的研發制造能力以及創新能力。

2.4 刀具夾持接口

刀具夾持接口用于夾持切削刀具，常見的夾持接口有DIN 6499彈簧夾頭、DIN 6388彈簧夾頭、DIN6358銑削頭等標準化的夾持接口。除此之外，不同刀架和刀座制造企業還開發了其他的非標夾持接口。

圖5 各種快換夾持形式對比

近年來一些制造企業基于提高換刀速度、改善夾持剛性等目的，陸續推出了各種快換接口，例如WTO的QuickFlex快換系統、EPPINGER的PRECIFLEX快換系統和SANDVIK COROMANT的Capto快換系統等。其中，驅動刀具采用模塊化設計，利用快換扳手實現模塊化刀具的更換，而模塊化刀具的夾持方式依企業的不同分別采用了雙錐面定位夾緊、錐面-平面定位夾緊和Capto類三棱錐面定位夾緊等方式。

傳統的圓錐面定位夾緊方式采用一錐面作為定位夾緊面，容易出現夾緊力不足、導致刀尖跳動過大，系統剛性不足等問題。

雙錐面定位夾緊方式采用兩個獨立的錐面作為定位夾緊面、錐面-平面定位夾緊方式采用錐面和平面作為定位夾緊面。超靜定結構提高了夾緊精度和夾緊可靠性。

Capto接口采用類三棱錐面代替普通圓錐面，類三棱錐面可以承受較大的扭轉力矩，提高了夾持結構的抗扭性能。

3 結論

主要分析動力刀座的基本結構和工作原理，分模塊介紹了動力刀座驅動接口形式、聯接安裝結構、切削功能單元和刀具夾持接口的研究、發展和應用現狀。

標準化的DIN 1809、DIN 5480和DIN 5482接口是目前最廣泛應用的驅動接口形式，錐齒輪、齒盤和梅花接口較多應用于企業定制產品。

動力刀座和刀盤聯接形式有VDI、BMT和CDI等形式，CDI為山特維克企業定制產品，VDI標準化程度高、換刀快、剛性差，BMT剛性好、換刀慢、標準化程度低。

直角刀座和直刀座是基本的切削功能單元。除此之外，拉刀功能單元、旋轉頭單元、雙向加工頭單元和多軸鉆削頭功能單元等功能單元的出現擴展了刀架的加工范圍。

DIN 6499彈簧夾頭、DIN 6388彈簧夾頭、DIN6358銑削頭等夾持結構是標準化的刀具夾持接口。目前刀座企業為提高換刀速度、改善夾持剛性，新開發了各種快換接口，典型的夾緊方式有：錐面-平面、雙錐面和Capto類三棱錐等方式。

［1］ 現代實用機床設計手冊編委會.現代實用機床設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［2］ 王建明.HEM與第三代動力刀座技術［J］.現代制造，2009（27）：40-42.

［3］ 馬仕龍,李兆為,劉春時.動力刀架的動力刀座接口研究［J］.機械設計與制造，2010（12）：11-13.

［4］ 梁玉.可快換刀的新一代車削中心動力刀座［J］.制造技術與機床，2008（12）：7.