淺談高速切削刀具裝夾系統(tǒng)的發(fā)展

李丹

摘要：高速切削刀具裝夾系統(tǒng)，是高速切削加工的重要技術(shù)。本文探討了刀具裝夾系統(tǒng)的刀柄技術(shù)、刀具夾頭技術(shù)、刀具動(dòng)平衡技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用，并對(duì)高速加工的發(fā)展進(jìn)行描述。

關(guān)鍵字：高速切削；刀具-機(jī)床接口；刀具裝夾夾頭；刀具動(dòng)平衡

一、引言

高速切削是指比常規(guī)切削速度高出數(shù)倍的速度下進(jìn)行切削。近年，由于其高效、優(yōu)質(zhì)、低耗在航天、模具、電子等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

高速切削是一項(xiàng)系統(tǒng)技術(shù)，對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)、軸承技術(shù)、刀具裝夾系統(tǒng)、動(dòng)平衡技術(shù)、高速冷卻系統(tǒng)都有更高的要求。本文僅高速切削中的刀具裝夾系統(tǒng)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展做分析。

高速切削裝夾系統(tǒng)主要涉及三項(xiàng)技術(shù)：刀具-機(jī)床接口、刀具夾頭形式、刀具動(dòng)平衡。

二、刀具-機(jī)床接口（刀柄）技術(shù)

傳統(tǒng)BT （7：24錐度）刀柄特點(diǎn)是實(shí)心長(zhǎng)軸， 當(dāng)主軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，錐柄不能脹大，使刀柄與主軸錐孔間出現(xiàn)明顯的間隙，導(dǎo)致BT工具系統(tǒng)軸向精度下降。

現(xiàn)在高速切削使用刀柄特點(diǎn)是空心、短軸（與7：24錐柄相比，重量減少50%，長(zhǎng)度約為7：24錐柄的1/3），且在主軸錐面和端面采用兩面約束過(guò)定位夾持系統(tǒng)。具有重復(fù)定位精度高，動(dòng)靜剛度高、換刀時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。具有代表的有德國(guó)的HSK （德文Hohl Shaft Kegel縮寫）刀具系統(tǒng)、美國(guó)的KM刀具系統(tǒng)、日本的NC5刀具系統(tǒng)等。

（一）、HSK刀柄

HSK刀柄已列為德國(guó)DIN69893標(biāo)準(zhǔn)，錐度1：10，錐體尾部有端面鍵槽傳遞扭矩，夾緊機(jī)構(gòu)夾爪鉤抓住刀柄內(nèi)孔30?錐面，夾緊時(shí)薄壁錐體產(chǎn)生彈性變形，使錐體和端面同時(shí)靠緊。

圖1 HSK的雙重定位結(jié)構(gòu)

（二）、KM刀柄

KM刀柄與HSK相似，錐度1：10，錐體尾部有端面鍵槽傳遞扭矩，但夾緊機(jī)構(gòu)不同。KM刀柄的拉桿上有兩個(gè)對(duì)稱的圓弧凹槽，夾緊刀柄時(shí)，鋼球沿凹槽的斜面推出，卡在刀柄的鎖緊斜面上薄壁錐面產(chǎn)生彈性變形，使刀柄端面與主軸端面貼緊。

KM特點(diǎn)的最高轉(zhuǎn)速課達(dá)50000r/min，重復(fù)定位精度在0.002mm以內(nèi)，動(dòng)靜剛度比HSK高，但強(qiáng)度略差。

圖2 KM刀柄的結(jié)構(gòu)

（三）、NC5刀柄

NC5刀柄定位原理與上述系統(tǒng)相同。不同是把1：10的錐柄分成錐套和圓柱柄兩個(gè)部分套在一起，錐套端面有碟形彈簧，錐柄尾端有螺釘孔。刀柄夾緊時(shí)，錐套產(chǎn)生彈性變形，并壓緊彈簧。刀柄尾部沒(méi)有傳遞扭矩的鍵槽，軸向尺寸比HSK刀柄短?？妆谳^厚，強(qiáng)度高，可滿足重切削的需要。

圖 3 NC5刀柄結(jié)構(gòu)圖

三、刀具裝夾夾頭：

使用較為廣泛的刀具夾頭有：

（一）、三棱變形靜壓夾頭（應(yīng)力鎖緊式刀具夾頭）

圖4 三棱變形靜壓夾頭原理

該夾頭的內(nèi)孔（見(jiàn)圖4）在自由狀態(tài)下為三棱形，三棱的內(nèi)切圓直徑小于要裝夾的刀柄直徑。利用一個(gè)液壓加力裝置，對(duì)夾頭施加外力，使夾頭變形，內(nèi)孔變?yōu)閳A孔，孔徑略大于刀柄直徑。此時(shí)插入刀柄，然后卸掉所加外力，內(nèi)孔重新收縮程三棱形，對(duì)刀柄實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)加緊。這種夾頭結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)稱性好，精度高，裝卸簡(jiǎn)單，對(duì)不同膨脹系數(shù)的硬質(zhì)合金刀柄和高速鋼刀柄均適用，

（二）、熱裝式夾頭

利用熱感應(yīng)裝置，使刀柄的夾持部分在短時(shí)間內(nèi)加熱，刀柄內(nèi)徑隨之?dāng)U張，此時(shí)立即將刀具裝入刀柄內(nèi)，刀柄冷卻收縮時(shí)即可賦予刀具夾持面均勻的壓力。熱裝夾頭使用一種reshuffle的金屬材料，其線膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于一般的金屬材料，在300°C左右，膨脹量足以滿足刀具的裝卸。Thermo grip工具系統(tǒng)采用高能場(chǎng)的感應(yīng)加熱線圈， 10s以內(nèi)即可將刀柄夾持部分加熱。配套一種冷卻襯套，可直接與被加熱的Thermo grip夾頭外圓接觸，將熱量盡快傳至冷卻棱條上，棱條有較高的強(qiáng)制冷卻的作用，可保證60 s內(nèi)是刀柄溫度降至安全使用的程度，每分鐘更換三四把刀具。

（三）、高精度彈簧夾頭

高精度彈簧夾頭的夾持精度可大1～3μm。螺母分為內(nèi)外兩個(gè)部分，在螺母中設(shè)有軸承，在鎖緊時(shí)，螺母不會(huì)在夾套上摩擦，也不會(huì)給夾套加扭力。確保把持精度和把持力，延長(zhǎng)夾套及螺母的壽命。

四、刀具動(dòng)平衡

由于刀體里存在缺陷，或刀具設(shè)計(jì)不對(duì)稱，或刀具進(jìn)行過(guò)新的調(diào)節(jié)，都有可能引起刀具系統(tǒng)的不平衡。高速旋轉(zhuǎn)的刀柄如果不平衡量太大，會(huì)引起主軸及其部件的額外振動(dòng)和刀具的不規(guī)則磨損，縮短刀具壽命，降低零件的加工質(zhì)量

高速切削刀具系統(tǒng)的動(dòng)平衡措施有：裝平衡環(huán)、內(nèi)裝動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)的刀柄（通過(guò)調(diào)整補(bǔ)償環(huán)移動(dòng)內(nèi)部配重的位置以補(bǔ)償不平衡量）、增加材料或去除材料。

五、發(fā)展方向

高速切削刀具裝夾系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)：1）加緊精度高，在懸伸3D（D-機(jī)床主軸前軸頸的直徑）處的定位精度≤3?m，加工精度高；2）傳遞轉(zhuǎn)矩大，能適應(yīng)高效切削的需要3） 結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好，有利于刀具的平衡；4）外形尺寸小，可加大的刀具懸伸量 ，擴(kuò)大加工范圍。

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