| 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°5178")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，避免因主轴的扩张造成刀柄的轴向移动。Big-plus系统的主轴和刀柄制造精度非常高，保证系统的整体性能，被日本高速机床厂商普遍采用。 与BT锥柄相比，Big-plus锥柄的弯矩承载能力因有一支撑直径而提高，增强了装夹稳定性。Big-plus工具系统刚性高，有衰减振动功能，在高速切削时可减少刀柄跳动，提高重复换刀精度，延长刀具的寿命，在高速加工领域可获得较高加工精度。
2.4 Showa D-F-C工具系统
Showa D-F-C刀柄是由日本圣和精机株式会社开发的，其柄部为7:24锥度圆柱形，圆柱面上配有带外锥面的锥套，锥套大端与刀柄本体的法兰端面之间设有碟形弹簧，具有缓冲吸振和双面定位效果。 刀柄采用锥套碟形弹簧的组合式结构，通过移动锥套，可以补偿锥部基准圆的微鼍轴向位置误差，能可靠的实现双向约束。当锥孔因离心力作用扩张时，在碟形弹簧的作用下，锥套产生轴向位移，补偿径向间隙，确保径向精度。碟形弹簧还能衰减切削时的微量振动，有利于提高刀具的耐用度、改善加工表面质量；该结构设计还解决了HSK、KM、Big-Plus等双面定位型结构在刀柄和主轴锥孔磨损后，锥面定位性能下降的问题。但是刀柄上锥套孔因离心力发生扩张，使Showa D-F-C柄部圆柱体出现间隙，径向刚度和径向位置精度有所下降。 2.5 Lock工具系统
Lock刀柄是日本株式会社日研工作所开发出的7:24锥度双面定位型结构。其柄部为圆柱体和圆锥体的组合，在该复合体上附带锥套，锥套大端与刀柄本体的法兰端面之间安置碟形弹簧，锥套小端通过细牙锁母定位和锁紧，Lock刀柄和BT刀柄结构区别。 Lock最大特点是用端面、锥面和锥套内孔三处锁紧，不同与两面接触高速刀柄仅端面与锥面接触，三处锁紧保证高速旋转时系统可靠性。三面定位避免因离心力导致锥套孔与柄部体产生间隙，提高系统径向刚度和径向位置精度。但3-Lock刀柄锥套有开口缝，对动平衡精度有一定影响。 3 存在主要的问题及对策
3.1 工具系统动平衡精度
高速切削条件下，工具系统微小的不平衡，都可能产生很大的离心力，引起机床和工具系统的急剧振动，导致加工工件表面质量恶化甚至损坏机床主轴等部件，故需要研究制定更高的动平衡标准。 可以考虑开发在线自动动平衡装置，使工具系统具有在线自动动平衡功能，保证装配后的工具系统动平衡。研制在线故障预警功能的工具系统，使其在安装或使用中出现故障时可报警，提高安全陛。刀柄结构设计尽量采用回旋对杨睦吉构，为动平衡提供理论条件。 3.2 刀柄和主轴锥孔的配合精度
高速情况下，由于锥面存在着过盈应力，导致锥面变形严重，使工具系统的可靠性下降。刀具与主轴的联结问题影响高速切削的可靠性及机床主轴的动平衡，已成为高速切削的薄弱环节之一。传统刀柄和主轴锥孔的配合精度比较低，无法保证工具系统定位夹持精度和换刀重复定位精度。要加强对刀柄锥孔配合精度的研究，提高工具系统的可靠性。高速切削加工(HSM)不但要求刀具本身具有良好的刚性、柔性和动平衡性，同时对其与机床主轴连接的刚性和连接精度，及保持刀具的把持力和把持精度及其各方面都提出了严格的要求。较好的刀具与机床的连接性能不仅提高加工效率，而且能提高定位精度，从而提高加工质量。 3.3 工具系统刚度和刀柄的制造精度
工具系统刚度不足会导致刀具系统振动，常规工具系统刚度和精度无法满足高速加工的要求，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。高速加工的工具系统都采用过定位的接触装配方式，因此对接触配合工作表面加工精度要求很高。选用合适的材料，合理的制造工艺以及生产过程的质量监控，提高刀柄制造品质是高速加工工具系统研究中要解决的实际问题。 采用适合高速切削的刀柄，改变刀具和主轴锥孔的配合方式，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有两种策略：—是改变7:24锥度标准采用替代型结构，如德国的HSK系列刀柄、美国的KM系列刀柄等。另一种是为降低成本，仍采用现有的7:24锥度而进行改进的刀柄结构。如美国的WSU系列刀柄，日本BIG-PLUS刀柄，3LOCK刀柄等，这种刀柄结构可改进现有结构主轴向高速化的过渡。 4 国内新型工具系统的研究状况
我国对高速切削工具的研究结构和院校众多，近年来不少学者采用有限元法研究高速工具系统接触配合特性。清华大学李光辉等用有限元方法研究HSK-63 A型刀柄的过盈量、预紧力、旋转速度、刀柄几何尺寸参数对主轴，刀柄联结性能的影响，优化其几何参数。山东大学张松、艾兴等采用非线性有限元法分析旋转速度和过盈量对配合面接触应力分布影响。江苏大学王贵成利用有限元法建立系统动刚度模型，研究HSK刀柄与机床主轴接触状况，分析其刚度和抗弯曲能力特性。王贵成等还等对KM刀柄的锥面定位进行有限元模拟分析，研究其径向位移、接触应力和锥面间隙和卡紧力规律。广东工业大学张伯霖等在对高速机床功能部件研究课题时，提出了高速工具系统是其核心和关键技术之一。成都工具研究所梁彦学、赵柄祯等对国外引进HSK工具系统标准、制造工艺及动平衡方面开展不少研究工作。 我国众多研究机构开展许多关于高速工具系统方面研究，但高速工具系统研究和开发基本处于理论阶段，尚未自主研制出实用型高速切削刀柄。目前高速切削工具系统基本依靠国外进口，而且在如何选用进口高速工具系统方面，不少企业还存在一定盲目性和缺少必要参考。 5 结束语
高速切削加工在模具制造，航空航天制造等行业中应用日益增加，已成为现代制造的重要发展方向。高速加工工具系统是其中关键技术之一，高速加工工具系统的合理选择和配置对加工效率和产品质量影响显著，开展适宜高速切削加工的工具系统的研究具有十分重要的意义。国内外科研机构和工具制造企业不断开发和推出新型系统，根据国内外研究和发展状况，高速加工工具系统的未来研究和发展重点是：采用端面和锥面双面定位方式为主流结构；用有限元等理论方法分析高速工具系统热平衡，系统动、静平衡及加长刀柄系统的刀柄，主轴接触特性等；着重提高刀柄制造精度及系统刚度；此外在高速加工工具系统的标准化、系列化以及制造国产化仍需要开展大量的工作。
发布日期：2018-02-13
