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高速机床主轴/刀具联结的设计 |
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作者：肖曙红 张伯霖 李志英 |
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摘要：分析了主轴高转速对刀/轴联结强度的影响及高速加工对刀/轴联结的基本要求、现行7/24锥度联结存在的问题，介绍了几种国外典型刀/轴联结的设计方案，并对各种结构的优缺点进行了研究。
关键词：高速机床主轴 刀/轴联结设计 高速刀具刀柄
高速加工具有比普通加工大5～10倍的切削速度，其优点是能减少加工时间，达到普通加工需要几道工序才能达到的加工精度和表面质量。与高速切削有关的主要问题有：刀具材料及设计、高速机床主轴的动平衡、机床的热态动态性能及可靠性等。而刀具与主轴的联结问题会严重影响高速切削的可靠性及机床主轴的动平衡，已成为限制高速切削的薄弱环节之一。
一、高速切削对刀/轴联结要求
高速加工要求确保高速下主轴与刀具联结状态不能发生变化。但是，高速主轴的前端锥孔由于离心力的作用会膨胀，膨胀量的大小随着旋转半径与转速的增大而增大，标准的7/24实心刀柄膨胀量较小，因此标准锥度联结的刚度会下降，在拉杆拉力的作用下，刀具的轴向位置会发生改变(见图1)。主轴的膨胀还会引起刀具及夹紧机构质心的偏离，从而影响主轴的动平衡。要保证这种联结在高速下仍有可靠的接触，需有一个很大的过盈量来抵消高速旋转时主轴轴端的膨胀，如标准40号锥需初始过盈量为15～20μm，再加上消除锥度配合公差带的过盈量(AT4级锥度公差带达13μm)，因此这个过盈量很大。这样大的过盈量需拉杆产生很大的拉力，拉杆产生这样大的拉力一般很难实现，对换刀也非常不利，还会使主轴端部膨胀，对主轴前轴承有不良影响。
图1 在高速离心力作用下主轴扩张图
高速加工对动平衡要求非常高，不仅要求主轴组件需精密动平衡(G0.4级以上)，而且刀具及装夹机构也需精密动平衡。但是，传递转矩的键和键槽很容易破坏动平衡，而且，标准的7/24锥柄较长，很难实现全长无间隙配合，一般只要求配合面前段70%以上接触，因此配合面后段会有一定的间隙，该间隙会引起刀具径向跳动，影响结构的动平衡。键是用来传递转矩和进行角向定位的，为解决键及键槽引起的动平衡问题，可以尝试研究一种刀/轴联结实现在配合处产生很大的摩擦力以传递转矩，并用在刀柄上作标记的方法实现安装的角向定位，达到取消键的目的。
二、标准7/24锥联结的优缺点
标准的7/24锥联结有许多优点：因不自锁，可实现快速装卸刀具；刀柄的锥体在拉杆轴向拉力的作用下，紧紧地与主轴的内锥面接触，实心的锥体直接在主轴内锥孔内支承刀具，可以减小刀具的悬伸量；这种联结只有一个尺寸即锥角需加工到很高的精度，所以成本较低而且可靠，多年来应用非常广泛。
但是，7/24联结也有一些缺点；锥度较大，锥柄较长，锥体表面同时要起两个重要的作用，即刀具相对于主轴的精确定位及实现刀具夹紧并提供足够的联结刚度。由于它不能实现与主轴端面和内锥面同时定位，所以标准的7/24刀/轴锥联结在主轴端面和刀柄法兰端面间有较大的间隙。在ISO标准规定7/24锥度配合中，主轴内锥孔的角度偏差为“－”，刀柄锥体的角度偏差为“＋”，以保证配合的前段接触，所以它的径向定位精度往往不够，在配合的后段还会产生间隙，如典型的AT4级(ISO1947，GB11334-89)锥度规定角度的公差值为13″，这就意味着配合后段的最大径向间隙高达13μm，这个径向间隙会导致刀尖的跳动和破坏结构的动平衡，还会形成以接触前端为支点的条件，当刀具所受的弯矩超过拉杆轴向拉力产生的摩擦力矩时，刀具会以前段接触区为支点摆动。在切削力作用下，刀具在主轴内锥孔的这种摆动，会加速主轴锥孔前段的磨损，形成喇叭口，引起刀具轴向定位误差。
7/24锥度联结的刚度对锥角的变化和轴向拉力的变化很敏感。当拉力增大4～8倍时，联结的刚度可提高20%～50%，但是，过大的拉力在频繁的换刀过程中会加速主轴内孔的磨损，使主轴内孔膨胀，影响主轴前轴承的寿命。
另外，如前所述，这种实心刀柄的锥联结在高速旋转时，主轴端部扩张量大于锥柄的扩张量，高速性能差，不适合超高速主轴与刀具的联结。
三、典型高速主轴/刀具联结设计
在高速主轴设计中，目前对刀轴联结研究较成功的设计主要两大类型，一是摒弃原有的7/24标准锥度而采用新思路的替代性设计，如德国的HSK系列和美国的KM系列刀具锥柄等。另一种是为降低成本，仍采用现有的7/24锥度而进行改进性设计，这种设计可实现现有主轴结构向高速化的过渡，如美国的WSU系列刀柄。
1.替代型的设计
“曲线耦合”的结构：这种结构由两部分组成，每一部分上面加工有数目相同的螺旋齿，并分别与主轴前端和刀柄固定。刀具与主轴联结精度较高，联结刚度也较好，装卸刀具需要的轴向移动量很小(5～10mm)。但对联结用的螺旋齿形精度要求较高，结构的两部分与主轴和刀柄的固定也有较高的要求，另外主轴端部和刀柄需重新设计，换刀时要使两部分齿形精确啮合需较长调整时间，影响换刀速度。
Sandvik公司的三棱锥结构：这种刀柄不是圆锥形，而是三棱锥，其棱为圆弧形，锥度为1/20的空心短锥结构。实现了锥面与端面同时接触定位，三棱结构可实现转矩传递，不再需要传动键，消除了因传动键和键槽引起的动平衡问题。但三棱锥特别是主轴三棱锥孔加工困难，加工成本高，与现有刀柄不兼容，配合会自锁。
KM系列：采用1/10短锥配合，锥柄的长度仅为标准7/24锥柄长度的1/3，由于配合锥度较短，部分解决了端面与锥面同时定位而产生的干涉问题，刀柄设计成中空的结构，在拉杆轴向拉力作用下，短锥可径向收缩，实现端面与锥面同时接触定位。由于锥度配合部分有较大的过盈量(0.02～0.05mm)，所需的加工精度比标准的7/24长锥配合所需的精度低。与其它类型的空心锥联结相比，相同法兰外径采用的锥柄直径较小，主轴锥孔在高速旋转时的扩张小，高速性能好。这种系统的主要缺点是，主轴端部需重新设计，与传统的7/24锥联结不兼容；短锥的自锁会使换刀困难；由于锥柄是空心的，所以不能用作刀具的夹紧，夹紧需由刀柄的法兰实现，这样增加了刀具的悬伸量，对于联结刚度有一定的削弱。由于端面接触定位是以空心短锥和主轴变形为前提实现的，主轴的膨胀会恶化主轴轴承的工作条件，影响轴承的寿命。
HSK刀柄：这种结构是由德国阿亨大学机床研究室(WZL)专为高速机床主轴开发的一种刀轴联结结构，已被DIN标准化。HSK短锥刀柄采用1∶10的锥度，它的设计近似于KM系列，它的锥体比标准的7/24锥短，锥柄部分采用薄壁结构，锥度配合的过盈量较小，对刀柄和主轴端部关键尺寸的公差带特别严格，由于短锥严格的公差和具有弹性的薄壁，在拉杆轴向拉力的作用下，短锥有一定的收缩，所以刀柄的短锥和端面很容易与主轴相应结合面紧密接触，具有很高的联结精度和刚度。当主轴高速旋转时，尽管主轴端会产生扩张，短锥的收缩得到部分伸张，仍能与主轴锥孔保持良好的接触，主轴转速对联结刚度影响小。拉杆通过楔形结构对刀柄施加轴向力(见图2)。
图 2 HSK刀柄与主轴联结结构
HSK也有缺点：它与现在的主轴端面结构和刀柄不兼容；制造精度要求较高，结构复杂，成本较高(刀柄的价格是普通标准7/24刀柄的1.5～2倍)；锥度配合过盈量较小(是KM结构的1/5～1/2)，极限转速比KM结构低。
2.改进型的设计
该类型的联结是以开发出比普通7/24锥联结具有较好精度、刚度和高速性能，同时又能与现存的主轴端部和刀柄兼容为出发点设计出来的。
锥面与端面同时接触定位的WSU-1：这种设计利用了“虚拟锥度”的概念，即以离散的点或线形成一个锥面，与主轴内锥孔面接触(见图3)。实现这些点线接触 的元件是弹性的，因此，当拉杆轴向拉力使刀柄与主轴端面定位接触时，只会使刀柄锥体的这些弹性元件变形，刀柄不变形。这种方法可使接触锥部获得较大的过盈量，而不需太大的拉力，也不会使主轴膨胀，对接触面的污染不敏感。
图 3 WSU-1刀柄与主轴联结结构
WSU-1要求的加工精度与7/24刀柄相同，刀柄的锥部仍采用7/24锥度，但它的直径比相同法兰尺寸的标准刀柄锥度直径要小，锥柄的外表面套有由金属或塑料保持架固定的相同直径的滚珠，由滚珠形成的虚拟锥的直径约比主轴内锥孔直径大5～10μm，在拉杆拉力作用下，滚珠发生弹性变形，刀柄在主轴锥孔内移动直到刀柄法兰与主轴端面接触为止。
滚珠的材料为金属、塑料或者玻璃，但其制造精度要求很高，球面精度和直径的制造精度都在1μm以下，严格的制造精度可以保证虚拟锥与主轴锥孔良好的配合。虚拟锥与主轴锥孔的接触变形包括滚珠与刀具锥柄、滚珠与主轴锥孔的赫兹变形以及滚珠本身的变形。
这种联结的主要优点有：实现了端面与锥面的同时接触定位，刚度和高速性能好，主轴不会膨胀，对轴承没有影响；接触区变形大，虚拟锥部与主轴锥孔没有间隙，因此刀杆跳动小；拉杆产生的轴向力在接触锥部损失小，因此施加在刀轴接触端面的压力大，接触面摩擦力增大，在某种程度上可用来传递转矩，替代传动键的作用，可取消键，具有良好的动平衡性能。在拉杆拉力25kN作用下，如接触面摩擦系数为0.35，则50号锥联结可传递的转矩高达360N。m，大于常规铣削所需的转矩，可取消传动键。
其主要的缺点是：滚珠的加工精度要求很高，否则所形成的虚拟锥与主轴锥孔难以形成良好的配合。滚珠与锥面接触会产生永久变形，出现压痕，对重复定位精度会有影响。为了获得良好效果，要求的拉杆拉力较大，建议的拉杆拉力为20～30kN。
Kemet公司的ABSC结构：该结构实现了主轴与刀柄的端面定位，具有很高的轴向联结刚度，主轴的转速对联结的影响很小。它在结构上仍然采用了7/24的锥度，允许使用标准的7/24刀柄，不同的是，这种结构的专用刀柄中设计有一个内装式的增力器，使用普通的10～15kN拉杆即可产生较大的轴向拉力，实现刀柄与主轴的端面接触定位。它的缺点是刀柄的结构复杂，成本较高，而且会使主轴端部膨胀，影响主轴前轴承工作。
改进锥配合的WSU-2结构：对标准的7/24锥配合分析可知，它的主要缺点是配合区特别是配合的后段会出现间隙，引起刚度下降，磨损加剧和跳动等问题，因此只要消除配合后段间隙，这些问题即可解决。WSU-2就是基于这种考虑，在标准锥柄基础上设计出的一种方案。如图4所示，刀柄的结构完全与7/24标准锥柄相同，只是在尾部加工有同轴凹槽，凹槽内安装有一列或几列同直径滚珠，滚珠形成的外包络直径约大于刀柄与主轴锥孔配合时可能的间隙直径，滚珠由保持架固定。刀柄与主轴锥孔配合时，滚珠及其接触区变形，消除配合后段可能出现的间隙，解决了标准锥度联结出现的静态问题。
图 4 WSU-2刀柄设计方案
这种方案较好地解决了标准联结的静态问题，对标准7/24锥联结结构改动小，但同轴凹槽的加工精度要求较高，高速时标准7/24锥联结出现的问题仍然存在，因此不适合高速主轴与刀具的联结。
四、结论
从以上对现行的标准刀/轴联结和各种改进方案分析可知，刀/轴联结存在的主要问题是联结刚度、精度、动平衡性能、结构的复杂性和制造成本等，为解决这些问题，主要有以下四种方法：(1)对现有结构进行改进，消除联结时联结面间隙，改善标准联结的静态性能；(2)严格规定配合公差，并增大轴向拉力，在不改变标准结构的前提下，实现锥-面同时接触定位；(3)改用小锥度，并采用空心短锥柄结构，实现锥-面同时接触定位；(4)增大配合预过盈量，同时采取措施防止主轴膨胀，改善标准锥柄的高速性能。这四种方法各有优缺点，实际中可根据需要选用不同方法。
而要使刀/轴联结具有良好的高速性能，最佳途径仍是将标准的仅靠锥面联结定位改为锥面与端面同时接触定位，这显然是一种过定位方案。缓解其中的过定位问题，德国HSK结构和美国的KM、WSU-1结构值得借鉴。
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(7/6/2004) |
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