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高速切削加工用刀柄的发展现状 |
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作者：重庆工学院 陈世平 石军 罗辑 |
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金属切削加工已进入了一个以高速切削为代表的新的发展阶段，由于高速切削加工能极大地提高材料的切除率和零件的加工质量，降低加工成本，因而成为当今金属切削加工的发展方向之一。高速切削刀具技术是高速切削加工的一个关键技术，它包括高速切削刀具材料、刀柄系统、刀具系统动平衡技术、刀具监测技术等。本文就高速切削加工用刀柄的发展现状作一概述。
1. 高速切削加工对刀具系统的要求
所谓刀具系统是指由刀柄、夹头和切削刀具所组成的完整的刀具体系，刀柄与机床主轴相连，切削刀具通过夹头装入刀柄之中。要使刀具系统能在高速下进行切削加工，应满足以下基本条件：
较高的系统精度
系统精度包括系统定位夹持精度和刀具重复定位精度，前者指刀具与刀柄、刀柄与机床主轴的连接精度；后者指每次换刀后刀具系统精度的一致性。刀具系统具有较高的系统精度，才能保证高速加工条件下刀具系统应有的静态和动态稳定性。
较高的系统刚度
刀具系统的静、动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚度不足会导致刀具系统振动，从而降低加工精度，并加剧刀具的磨损，降低刀具的使用寿命。
较好的动平衡性
高速切削加工条件下，微小质量的不平衡都会造成巨大的离心力，在加工过程中引起机床的急剧振动。因此，高速刀具系统的动平衡非常重要。
2. 传统实心长刀柄结构存在的问题
目前，在数控铣床、数控镗床和加工中心上使用的传统刀柄是标准7:24锥度实心长刀柄。这种刀柄与机床主轴的连接只是靠锥面定位，主轴端面与刀柄法兰端面间有较大间隙。这种刀柄结构在高速切削条件下会出现下列问题：
刀具动、静刚度低
刀具高速旋转时，由于离心力的作用，主轴锥孔和刀柄均会发生径向膨胀，膨胀量大小随旋转半径和转速的增大而增大。这就会造成刀柄的膨胀量小于主轴锥孔的膨胀量而出现配合间隙，使得本来只靠锥面结合的低刚性连接的刚度进一步降低。
动平衡性差
标准7:24锥度柄较长，很难实现全长无间隙配合，一般只要求配合前段70%以上接触，而后段往往会有一定间隙。该间隙会引起刀具的径向圆跳动，影响刀具系统的动平衡。
重复定位精度低
当采用ATC(Automatic Tool Changing，自动换刀)方式安装刀具时，由于锥度较长，难以保证每次换刀后刀柄与主轴锥孔结合的一致性。同时，长刀柄也限制了换刀过程的高速化。
3. 多种新型刀柄的开发与应用
为了适应高速切削加工对刀具系统的要求，最近10年各工业发达国家相继研制开发了多种新型结构的刀柄。简介如下。
1) HSK刀柄
HSK(德文Hohlschaftkegel缩写)刀柄是德国阿亨(Aachen)工业大学机床研究所在20世纪90年代初开发的一种双面夹紧刀柄，它是双面夹紧刀柄中最具有代表性的。HSK刀柄已于1996年列入德国DIN标准，并于2001年12月成为国际标准ISO12164。由于其刚度和重复定位精度较标准7:24锥度柄提高了几倍至几十倍，因此在机械制造业得到了广泛的认同和采用。例如，在德国奔驰汽车公司和大众汽车公司，HSK刀柄被广泛用于铣削、钻削和车削加工中。在我国一汽大众公司的发动机、传动器生产线上共有二百五十多台数控机床采用了HSK高速短锥空心柄工具系统，共6个规格。
HSK刀柄由锥面(径向)和法兰端面(轴向)双面定位，实现与主轴的刚性连接，如图1所示。当刀柄在机床主轴上安装时，空心短锥柄与主轴锥孔能完全接触，起到定心作用。此时，HSK刀柄法兰盘与主轴端面之间还存在约0.1mm的间隙。在拉紧机构作用下，拉杆的向右移动使其前端的锥面将弹性夹爪径向胀开，同时夹爪的外锥面作用在空心短锥柄内孔的30°锥面上，空心短锥柄产生弹性变形，并使其端面与主轴端面靠紧，实现了刀柄与主轴锥面和主轴端面同时定位和夹紧的功能。
图1 HSK刀柄与主轴连接结构与工作原理
这种刀柄结构的主要优点是：
有效地提高刀柄与机床主轴的结合刚度。由于采用锥面、端面过定位结合，使刀柄与主轴的有效接触面积增大，并从径向和轴向进行双面定位，大大提高了刀柄与主轴的结合刚度，克服了传统的标准7:24锥度柄在高速旋转时刚度不足的弱点。
有较高的重复定位精度，并且自动换刀动作快，有利于实现ATC的高速化。由于采用1:10的锥度，其锥部长度短(大约是7:24锥柄相近规格的一半)。每次换刀后刀柄与主轴的接触面积一致性好，故提高了刀柄的重复定位精度。由于采用空心结构，质量轻，便于自动换刀。
具有良好的高速锁紧性。刀柄与主轴间由弹性扩张爪锁紧，转速越高，扩张爪的离心力越大，锁紧力越大。
按德国DIN标准的规定，HSK刀柄采用平衡式设计，其结构形式有A、B、C、D、E、F6种型式，每一种型式又有多种尺寸规格。A、B型为自动换刀刀柄，C、D型为手动换刀刀柄，E、F型为无键连接，适用于超高速切削用刀柄。
2) KM刀柄
KM刀柄是美国肯纳(Kennametal)公司与德国怀迪尔(Widia，本站注：行业内常译为维迪亚)公司于1987年联合开发出来的，与HSK刀柄并存的1:10短锥空心柄，其结构如图2所示。KM刀柄首次提出了端面与锥面双面定位原理。KM刀柄采用了1：10短锥配合，配合长度短，仅为标准7:04锥柄相近规格长度的1/3，部分解决了端面与锥面同时定位而产生的干涉问题。另一方面，KM刀柄与主轴锥孔间的配合过盈量较高，可达HSK刀柄结构的2～5倍，其连接刚度比HSK刀柄还要高。同时，与其他类型的空心锥柄连接相比，相同法兰外径采用的锥柄直径较小，因而主轴锥孔在高速旋转时扩张小，高速性能好。
图2 KM 刀柄与主轴连接结构
3) HSK刀柄和KM刀柄存在的问题
由于采用双面定位，造成刀柄在主轴内孔产生过定位。要很好实现过定位，就要求刀柄锥面和法兰盘端面自身有较高的形状精度以及相互位置精度，这给刀柄的制造增加了难度。因而这种类型的刀柄制造成本较高，其价格通常是常规标准7:24锥柄的1.5～2倍。
它与传统的主轴端部结构和刀柄不兼容，不能直接用于传统的机床，需对机床主轴端部进行重新设计。当然，目前国外许多机床厂家生产的高速机床其主轴端部直接按与中空短锥结构刀柄结合设计。如2003年4月在北京举行的第八届中国国际机床展览会上，几乎所有的高速机床均采用了HSK刀柄。
制造刀柄的材料要求较高。由于这种刀柄采用过定位，要求其受热变形小而均匀，否则将会破坏原有的定位精度，且不易装卸。
4) BIG-PLUS刀柄
对高速切削加工用刀柄的研究改型除了德国和美国外，日本一些公司也致力于对原7:24实心长锥柄进行多种形式的改进，以达到双面定位，提高定位精度和刚度的目的，如日本NIKKEN公司的3LOCK SYSTEM锥柄，BIG DAISHOWA SEIKI公司的BIG-PLUS精密锥柄和圣和精机株式会社开发的SHOWA D-F-C刀柄等。这些刀柄都是在原标准7:24锥柄基础上进行了一定改进。
BIG-PLUS刀柄的锥度仍然是7:24。其工作原理是：将刀柄装入主轴锥孔锁紧前，端面的间隙小。锁紧后利用主轴内孔的弹性膨胀补偿端面间隙，使刀柄端面与主轴端面贴紧，从而增大其刚度。这种刀柄同样采用了过定位，因而必须严格控制其形状精度和位置精度，其制造工艺难度比HSK刀柄还要高。
这种改进型锥柄可与原7:24锥柄互换使用，可应用于原主轴锥孔。但从适应机床转速进一步高速化的发展要求，1:10短锥空心柄则更有发展前途。所以，更多的日本公司还是积极采用德国DIN标准的HSK刀柄，如NT工具公司、黑田精工、圣和精机、三菱金属等先后引进HSK生产技术。
综上所述，高速切削加工用刀柄的发展趋势是采用双面过定位原理，提高刀柄系统的结合刚度。同时，解决好刀柄过定位带来的相关问题，并不断改善刀柄材料的性能。
4. 我国对高速切削刀具的研究
我国对高速切削技术的研究起步较晚。20世纪90年代初期，北京理工大学开始研究高速切削的基本理论和方法。与此同时，广东工业大学、山东大学、成都工具研究所等高校及科研单位也开展了与高速切削相关技术的研究，如大功率高速主轴单元、高速切削刀具、陶瓷滚动轴承。但我国对高速切削技术研究的总体水平，与国外相比存在较大差距。在高速切削刀具技术方面，山东工业大学和成都工具研究所等单位作了许多工作，并取得了一定的成绩。但迄今我国尚未自主研制开发出一种实用型高速切削刀具，以至在我国应用高速切削加工技术的各企业，几乎所有的高速切削刀具都要从国外进口。例如，一汽大众捷达、奥迪轿车发动机、传动器零部件生产线上所使用的高速刀具均为进口产品(来自49个外国公司)。由此可见，如何实现高速切削刀具系统的全面国产化、商品化，以降低工具成本费用，是我国提高汽车及其他机电产品的国际竞争力的有力措施。
当前，虽然国内已有一些工具厂能仿造HSK刀柄，但在产品质量上仍存在不少问题，如精度难以达到德国的DIN标准或ISO国际标准，刀柄材料热变形较大，造成刀柄装配精度低，而且不易装卸等。因此，要实现国产化的HSK刀柄或KM刀柄，除解决加工精度之外，解决好高速刀具刀柄材料也是一个十分紧迫的问题。 (end)
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(2/1/2005) |
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