高速铣削刀具装夹技术的发展.pdf

第二届全国先进制造装备与机器人技术论文集 高速铣削刀具装夹技术的发展 陆名彰，曾湘黔，胡忠举，刘平，熊万里 ( 湖南科技大学湖南湘潭4 】1 2 0 1 ) 董要：高速铣削对刀具的装夹技术提出了很高的要求．本文介绍了适应高速铣削的主轴／刀柄联接技术和刀具 夹紧技术的发展． 关健词：高速铣削主轴，刀柄联接刀g ／7 2 柄联接 高速铣削具有生产效率高、成本低、加工精度高、加工表面质量好、环境污染小、适r 加T 淬硬钢等难加工材料以及薄壁类零件等显著特点，已成为现代加工技术的主要发展方向 之～ 所谓刀具系统．是指由刀柄、夹头和刀具组成的完整体系刀具的装夹包括机床主轴／刀 柄的联接和刀具／刀柄的联接高速铣削时，主轴旋转速度缀高，为了保证加T 精度和安全， 对刀具的装夹技术提出了很高的要求，具体表现为以下几个方面⋯：①高的刀具定位精度包 括径向精度和轴向精度；②高的刀具重复定位精度指每次换刀后刀具系统精度的一致性； ③离的刀具系统刚性指刀具系统的径向与轴向联接刚性：④高的动平衡性 l 高速铣削主轴，刀柄联接技术 J ．1 传统7 ：2 4 锥度主轴，刀柄联接不能满足高速铣削的要求 传统7 ：2 4 锥度实心刀柄与机床主轴的联接只有锥面接触定位，主轴端面与刀柄法兰端面 之间存在间隙。

其主轴／刀柄联接的动态特性不能满足高速铣削的要求”I ①在铣刀高速旋转时所产生的极大离心力作用F ，主轴 锥孔和实心刀柄均发生径向膨胀由于实心刀柄的膨胀量小 于主轴锥孔，且锥孔大端的膨胀量远大于小端，呈“喇叭口” 变形( 图1 ) ，导致刀柄与主轴锥孔之间出现“喇叭形”配 合间隙，刀柄大端与主轴分离，接触应力急剧下降，降低了必 其径向与轴向联接刚度 ②转速越高，主轴内锥孔“喇叭口”变形越大由于主 轴端面与刀柄法兰端面之间存在轴向间隙，刀柄在轴向拉力 第二届全国先进制造装备与机器人技术论文集 I t S K 刀柄是德国阿亨( A a c h e n ) 工业大学机床研究所开发的一种双面定位夹紧刀柄如煳2 所示，I t S K 刀柄采用1 ：1 0 小锥度短锥柄，柄部为中空结构安装时，其空心短锥柄与主轴锥孔 完全接触，起定心作用拉紧前，刀柄法兰与主轴 端面之间存在约0 ．1 m m 的微小间隙在拉紧机构 作埘F ，拉杆向主轴锥孔里面移动，其前端锥面- ^ 甘 将弹性夹爪径向胀开，夹爪的外锥面则作用在空 心短锥柄内孔的锥面上，使空心短锥柄产生弹性 变形，并使其端面与主轴端面靠紧，从而实现刀柄 与主轴锥面和端面的双面定位夹紧。

争晷 图2I I S K 土轴／刀柄的结构0 工件原理 I t S K 刀柄结构的主要优点是：①采用锥面和端面双面接触定位，主轴高速运转时离心力作 J { j 所引起的空心薄壁刀柄的径向膨胀量与主轴锥孔相差不大，配合锥面的接触面积基本不变， 保证了联接的径向剐性，轴向刚性亦不受影响：②锥废小，锥柄短，每次换刀后刀柄与主轴锥 孔接触面积的一致性高，保证了刀具的重复定位精度：③刀柄与主轴问由弹性张爪锁紧．转 速越高，弹性张爪受到的离心力越大，锁紧力越大，故高速锁紧性良好 1 ．2 ．2 碰刀柄”’j K M 刀柄是美国肯纳( K e n n a m e t a l ) 公司与德国怀迪尔( W i d i a ) 公司联合开发的一种双面定位夹紧中空短锥刀柄其工作原理如 图3 所示，锥度为1 ：1 0 ，锥体尾端有键槽，用锥面和端面同时接 触定位其夹紧机构在拉杆上有两个对称的圆弧凹槽，槽底为两 段弧形斜面拉杆向主轴孔内移动拉紧刀柄时，钢球沿凹槽的 斜面推出，卡在刀柄上的锁紧孔斜面上，薄壁锥柄产生弹性变形， 使刀柄端面与主轴端面贴紧拉杆外移时，钢球退到拉杆的凹槽 内，脱离刀柄的锁紧孔，即可松开刀柄。

圈3K M 刀柄系统的结构 K M 刀柄的主要特点如下：①刀柄锥面的配合长度短，与主轴锥孔配合的过盈量高，达t i S K 刀柄结构的2 ～5 倍，其联接刚性更高；②锥柄直径小，高速旋转时主轴锥孔的径向膨胀最小． 高速性能好；③重复定位精度高 1 ．2 ．3C a p t o 刀柄⋯ C a p t o 刀柄是瑞典S a n d v i k 公司开发的双面定位夹紧中空短 锥刀柄如图4 所示，其刀柄锥度为1 ：2 0 ．采用高精度三棱锥 形结构，即三弧段等距型面联接，实现了锥面与端面同时接触定 位三棱圆锥是接近理想化的设计，可实现转矩传递，且与旋转 方向无关 C a p t o 刀柄非常适合于高速铣削加工，其主要特点是：①主 轴转速越高，三棱锥柄的三个侧联接面厚点在离心力作用下向 外膨胀越大，与刀柄同步结合，高速下仍能保持相当大的接 触压力，径向刚性很高：②主轴高速旋转时扭矩通过三棱 锥柄的侧联接面均匀地传递到三棱锥形刀柄的每一点，不会 产生应力突变，从而提高联接刚性；③采用双面定位，轴向 刚性很高；④1 ：2 0 锥度的白锁性好，具有良好的抗弯强度 1 ．2 ．4 锥柄和靖面同时接触的7 ：2 4 锥柄⋯ ◎◎ 罅∞ 图4C a p t o 刀柄轴向及径向力分布 尽管短锥刀柄具有适合于高速铣削的优点，但与传统主 图5B i g —p l ¨S 刀柄系统结构 轴端部结构和刀柄不兼容，提高了使用成本。

为此，日本的大昭和精机公司开发了采H j7 ：2 4 锥柄的B i g - p l u s 两面定位主轴／刀柄联接技术如图5 所示，将主轴端面与刀柄法兰之间的 第二屑全国先进制造装备与机器人技术论文集 问隙平均分配给主轴和刀柄刀柄装入主轴锥孔时，锁紧前土轴端面与刀柄法兰之间有很小 的间隙，锁紧后刀柄被完全拉入，利用主轴内孔的弹性膨胀补偿使刀柄端面与主轴端面贴紧， 实现锥面与端面的同时接触 | j J g - p I u s 刀柄具有良好的高速性能，其主要特点是：①实现了锥面和端面的同时接触， 动态定位精度与联接刚性火为提高；②采_ L f j7 ：2 4 锥柄，可与传统7 ：2 4 刀柄兼容；③利州端 面的矫J E 作_ } { = | ，提高了自动换刀的重复定位精度：④刀柄的支撑直径等于刀具法兰的外径 提高了刀具承受弯矩的能力 2 高速铣削刀具，刀柄联接技术 2 ．1 高速铣削对刀具／刀柄联接的要求 高速铣削对刀具／刀柄的联接，即刀具的夹紧也提出了很高的要求⋯‘：①任何转速卜均可 产生足够的拉力；②能可靠地防止刀具松脱；③夹紧力与外部作用力无关．可以监控夹紧状 态；④不平衡量小，动平衡性能好；⑤带夹紧系统的主轴的固有频率适当，结构阻尼较高； ⑥在夹紧和松开刀具时主轴轴承无负载：⑦夹持回转精度高；⑥换刀时间短。

2 ．2 适应高速铣削的刀具／刀柄联接技术 2 ．2 ．1 静压膨胀式刀具夹头”⋯ 静压膨胀式刀具夹头的结构原理如图6 所示夹头主 体与夹紧孔内壁之间有一个环形薄壁封闭油腔拧紧加压 螺栓时，油腔内压力升高，各个部分受到均匀的压力，其内 壁均匀地向轴线方向挤压，从而夹紧刀具；松开加压螺栓 时，油腔内油压回落，油腔内壁在弹性回复力的作用下回 夹持回转精度≤3u1 1 1 ；重复夹紧精度≤2um ；②夹紧力稳定可靠，能传递报大的扭矩；③夹 应力锁紧式刀具夹头( T R I B O S 夹头) 是德国雄克公司的专 S 滓；、 j 热 利产品，有T R I B O S —S 和T R I B O S —R 两种类型其工作原理如 弹+ ! 潍—惮ij 斗 图7 所示原始形状下夹持孔为三棱形( 图7 a ) ，刀具不能插＼乏≮! g y —心S ； ／ 第二届全国先进制造装备与机器人技术论文集 2 ．3 高精度弹性夹头⋯⋯ 高精度弹性夹头结构原理如图8 所示弹性夹头与高刚度本体做成一体，本体的前端就是 薄肇弹性套筒旋动夹紧螺母拉紧夹紧环，夹紧环锥孔产生的径向分力压紧薄龌弹性套筒，利 j | j 套筒的弹性变形夹紧直柄刀具。

高精度弹性夹头的技术特性如r ：①精度高，夹头内孔对柄部的径向跳动为00 0I m m ，距 孔口：{ 倍孔径处为00 0 2 m m ，有利于提高加T 精度，降低表面 粗糙度；②薄壁套筒的弹性变形均匀，夹紧力大且均匀、刚 度高、稳定性好；③操作方便，只需将螺母旋转4 ／3 周，即 可夹紧，松开亦然：④径向尺寸小，有利于多轴小中心距的 孔加l ：或伸入工件深处的模具铣削加工：⑤形状对称，可避 免高速旋转时因不平衡而产生的振动，工作转速可达 15 0 0 0 r ／min ( 火直径) 至2 6 0 0 0 r ／m in ( 中等商径) ；⑥采用特 殊钢材制造，抗张力大，高速旋转时不会因组件膨胀而导 致刀具松动与静压膨胀式夹头比较，高精度弹性夹头夹紧力更大 速铣削 2 ．4 热膨胀夹头“⋯” 图8 弹性兴头的结构 更适合重切削及断续高 热膨胀夹头利用金属的热胀冷缩来夹紧铣刀等刀具仅由中心设有刀具安装孔的刀柄单 体构成，结构非常简单装刀时，用加热装置加热刀柄，刀具安装孔胀大后装入刀具，冷却 后刀具安装孔收缩，夹紧刀具反之，即可拆卸刀具热膨胀夹头采用了膨胀系数远火J 丁一 般金属的特殊金属材料，加热至2 5 0 ℃左右，其膨胀量即可满足刀具装卸的需要。

热膨胀夹头的技术特性如下：①金属收缩夹紧方式比机械夹紧收缩动作的离散小，夹持 精度高且稳定，夹持精度离散≤2um ；⑦依靠刀具安装孔内径和刀柄外径之间的过盈实现夹 紧，夹持扭矩大；③可对刀柄进行全长均匀夹持，刚性好，弯曲刚度可达弹性夹头的1 ．3 ～1 ．4 倍：④由形状对称的单一部件构成，平衡性好，适合于高速、高精度加工：⑤刀柄直径可细 化到极限，有利于模具深处的铣削加工 参考文献： f1 ] 赵柄祯．先进切削技术与模具工业的发展[ J ] ．现代制造，2 0 0 4 ，9 [ 2 ] 陈丹民．适台高逮加工的工具系统[ J 1 ．工具技术，2 0 0 1 ．N o ．3 5 ( 3 ] 李海田．新型工具系统——空心短锥工具系统[ J ] ．组台机床与自动化加T 技术，1 9 9 7 ，1 0 f 4 ] 陈世平等．H S K 刀柄高速切削性能研究[ J ] ．机械设计与制造，2 0 0 5 8 f 5 ] 李平等．高速切削加工刀具技术研究[ J ] ．机械工程师，2 0 0 3 ，2 【6 ] 张雁鸣等．全能型短锥模块工具系统分布[ J ] ．机械工程师，1 9 9 9 ，9 [ 7 ] 赵炳桢( 编译) ．机床刀具7 ：2 4 锥柄连接新技术[ J ] ．工具展望。

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邮编：4 1 1 2 0 1 ：湖南省湘潭市 9 5 一◇ 一卑 。