高速加工中刀柄工具系统.doc

高速加工中刀柄工具系统 摘要:在分析传统BT(7:24锥度)实心长刀柄基础上介绍国外HSK，KM，Big-plus，Showa D-F-C等新型工具系统，分析和对比不同高速刀柄的结构特点，装卡过程及其应用场合。指出高速加工工具系统中存在主要的问题及对策，展望高速加工工具系统发展趋势和研究前景，为国内使用高速加工的企业选用高速工具系统提供理论指导和参考。高速加工工具系统通常指由切削刀具、刀柄和夹头构成的工具体系，三者关系是刀具通过夹头装人刀柄之中，刀柄与机床主轴相连。高速加工工具系统对成型后的工件尺寸精度和表面质量影响显著，同时也影响到高速切削可靠性及机床加工性能，已成为高速切削系统的关键技术。 1 BT工具系统常规数控机床通常采用7:24锥度实心长刀柄，目前共有五种规格且已实现标准化即NT(传统型)、DIN69893(德国标准)、IS07388/1(国际化标准)、ANSI，ASME(美国标准)和BT(日本标准)。其中BT(7:24锥度)刀柄结构简单，成本低以及使用便利而得以广泛应用。 BT刀柄与机床主轴连接时仅靠锥面定位，高速条件下因材料特性和尺寸差异造成主轴锥孔和配合的刀柄同时产生不均匀变形量，其中主轴锥孔的扩张量大于刀柄，导致刀柄和主轴的配合面产生锥孔间隙。7:24标准锥度长刀柄仅前段70%与主轴保持接触，而后段配合中存在微小间隙，从而导致刀具产生径向圆跳动，破坏了工具系统的动平衡。在拉紧机构作用下，BT刀柄沿轴向移动，削弱刀柄轴向定位精度，造成加工尺寸误差。大锥度还会限制自动换刀ATC(Automatic Tool Changing)过程高速化，降低重复定位精度和造成刀柄拆卸困难。 由于传统的机床/刀具连接的结构和功能缺陷，已不能满足高速加工的高精度、高效率及静、动刚度，动平衡性等要求。国外厂家和研究机构不断开发推出各种新型结构刀柄如德国HSK系列、美国KM系列、日本Big-Plus和Showa D-F-C系列等。 2 国外新型工具系统研究状况2.1 HSK工具系统HSK(德文Hohl Shaft Kegel缩写)刀柄是由德国阿亨工业大学机床实验室研制的一种双面夹紧刀柄，为1:10(2°51’78”)锥度，采用锥面(径向)和法兰端面(轴向)双面定位和夹紧。工作时空心短锥柄与主轴锥孔能完全接触，起到定心作用，保证主轴的连接刚性。在拉紧机构作用下拉杆向右移动，此时刀柄前端锥面的弹性夹爪会径向扩张，同时夹爪的外锥面与空心短锥柄内孔的30°锥面开始接触配合。此时空心短锥柄出现弹性变形，其端面与主轴端面靠紧，消除HSK刀柄法兰盘与主轴端面问问隙(约0.1mm)。 HSK工具系统突出特征是采用端面和锥面同步接触双重定位，保证配合可靠性。类似BT锥柄，HSK的径向精度取决于锥面接触特性(二者的径向精度最高可达0.2μm)。HSK接口的轴向精度取决于接触端面，与轴向夹紧力无关，仅由结构决定，这与BT锥柄显著不同。HSK刀柄的另一个特征是为空心锥柄，以较小夹紧力产生足够弹性变形，空心薄壁的径向膨胀量保持与主轴内锥孔变形对应。空心柄部还为夹紧拉钉提供了安装位置，实现由内向外夹紧，空心柄部还可内置切削液。采用内夹紧方式可使离心力化为夹紧力，保证高速旋转的刀柄夹紧可靠性。HSK刀柄特征之三是采用1:10的小锥度叮减小锥面部分的夹紧力，提高HSK接口的承载能力，同时又能够保证锥部良好的定位作用。HSK刀柄与主轴连接结构与原理。 2.2 KM工具系统KM刀柄是美国肯纳(Kennametal)公司在1987年开发，为1:10锥度。在夹紧机构拉杆上设有两个对称的圆弧凹槽，该槽底为两段弧形斜面。夹紧刀柄时，拉杆向右移动，钢球沿凹槽的斜面被推出，卡在刀柄上的锁紧孔斜面上。刀柄向主轴孔内拉紧后，薄肇锥柄产生弹性变形，使刀柄端面与主轴端面贴紧，实现锥面和端丽同时接触双面定位。 KM系统也是1:10中空短锥柄，采用三点接触和双钢珠锁定的方式连接，使KM系统具有刚度高、精度高、装夹快捷和维护简单等优点。研究表明：与BT刀柄相比，HSK刀柄和KM刀柄具有更好的静刚度和动刚度。KM刀柄的拉紧力、锁紧力和动刚度值明显大于HSK刀柄，整体性能最佳，三者结构及性能比较(表略)知，KM刀柄也存在—些不足如有较大过盈量，所需的夹紧力至少是HSK的3倍。 2.3 Big-plus工具系统Big-plus刀柄由日本大昭和精机公司(Big-Daishowa Seiki)研制，并且成功申请了专利进行技术保护，与7:24刀柄可兼容互换。Big-plus工具系统结构利用主轴内孔的弹性膨胀锁紧后补偿问隙，缩小刀柄装入主轴后与端面的间隙，保证刀柄与主轴端面配合。工作时，刀柄装入主轴后在主轴端面与刀柄法兰之间留有约0.02mm的间隙，当刀柄被拉紧后，主轴端口弹性扩张，实现锥面与端面的同时接触，