高速機床工具系統結構及其夾緊特性的研究

張偉巍

(山西省機械電子工業行業管理辦公室，山西 太原 030001)

目前，高速加工技術的快速發展為高速機床的研發以及實際應用提供了重要的保障，同時，高速的加工技術對于機床的性能也提出了相應的要求。高速機床主要由高速數控系統、高速工具系統、高速進給系統以及高速加工檢測系統等多個部分構成，高速機床在性能方面遠遠優于傳統機床[1]。高速機床的工具系統的作用是連接機床的主軸與刀具，主要包含主軸、刀具、刀柄以及夾緊機構等幾個組成部分，其核心部件是連接刀柄。從機床工業高速發展以來，傳統的BT 工具系統在機械加工行業（尤其是機床加工行業）發揮了重要的作用。但是，在高速加工技術快速發展的同時，對于系統的加工精度以及速度性能要求的提高，由于本身的缺陷，BT 工具系統已經不能夠適應目前的加工要求。目前，包括我國在內的多個國家對于高速加工的新型工具系統進行了廣泛的研究，并且在理論以及實際應用方面都取得了巨大的成功。同時，在高速加工的條件下，機床與刀具的連接系統又存在著很多亟待解決的現實問題：首先刀具系統微小的不平衡性會導致巨大的離心力，造成機床系統整體工作的不穩定，對于產品的品質以及機床刀具的壽命都具有不利的影響；其次，傳統機床的連接方式已經不能夠滿足高速機床連接系統的精度以及剛度要求。因此，文中主要對高速工具的系統特性進行深入的研究分析。

1 高速機床工具系統概述

機床工具系統的基本功能主要是：能夠實時保證機床中的刀具進行準確定位，并能夠完成工作所需動力以及運動位移的任務。從工具系統的基本功能分析，工具系統應該能夠具備以下的基本功能：首先，刀具系統要能夠具備足夠的運動傳輸能力，在進行加工的時候，刀具的最終受力都集中在刀具系統中，因此，要能夠保證刀具系統具備足夠的夾緊力；其次，工具系統應該具備高速的運動能力，因為器件不平衡在高速運動時候產生的巨大離心力會影響系統的定位準確度；最后，良好的剛度、阻尼特性以及介質傳遞能力對于系統的正常工作也具有重要的意義，因為在高速運轉中，工具系統發生變形必然導致刀具的位置發生相對移動，從而導致了加工精度的下降，良好的阻尼特性對于工具系統的動剛性具有重要的影響，傳遞系統要能準確及時傳輸在加工過程中機械、電氣等控制信號。此外，系統的環境適應性以及可維護性等也是工具系統重要的性能要求[2]。

2 機床高速工具系統的結構選擇及優化

高速工具系統的優越性能是以其先進的結構作為實現的基礎的，優化合理的結構是保證高速工具系統穩定工作的重要前提。在工具系統連接中，要求刀柄能在主軸中進行準確的定位。因為定位的基本方案主要依賴于工具的軸向截面，而工具軸向截面形狀的確定應該綜合考慮軸向定位的精確度、磨損補償能力、制造的可行性等多個相關要素。高速機床的工具系統主要包含縱截面以及橫截面的形狀這兩個基本組成要素。

2.1 工具系統橫截面形狀的選擇

工具系統的扭轉傳遞能力主要依賴于刀柄橫截面的形狀，同時對于具有端面的工具系統其能力與端面的實際結構也具有一定的關系。由以上的分析以及實際工程實踐總結，目前可以采用的刀柄橫截面的形狀主要有以下幾種，如圖1 所示。

圖1 常見刀柄橫截面形狀

圖1 中的第一種為方形截面的刀柄，其突出優點是不需要進行鍵槽的設置就可以完成扭矩的直接傳遞，具有較好的剛度且不易發生變形。但是方形的截面具有對主軸孔以及刀柄的精度要求過高，工藝性較差的問題，同時在扭矩傳遞的過程中，不同接觸面所收到的應用大小不均勻，在實際生產過程中會造成局部設備的損壞；第二種為圓形截面的刀柄具，其具有工藝性能優越，并且具備較高的抗紐剛度的優點；第三中為棱形截面的刀柄，三棱形的截面與方形截面一樣，具有無需設置扭矩傳遞鍵槽的優點，在傳遞過程中所收到的應力也較為均衡，但是同時存在刀具與主軸配合精度要求過高、公益性較差以及剛度不高的缺點；第四種為多齒花鍵截面的刀柄，多齒花鍵與三棱形相比較，剛度以及抗扭性能都有較大的提升，但是同樣存在著工藝性方面的問題。以上分析的四種橫向截面的刀柄，在實際應用中一般采用空心結構，具有質量較輕，自動補償能力較強，便于安裝以及工藝性能較好的優點，從扭矩的傳遞和工藝性以及平衡性等多個方面進行綜合考慮，圓形的刀柄截面是較為理想的截面。

2.2 工具系統縱截面形狀的選擇

高速機床的工具系統主要完成定位以及夾緊兩個主要的功能，其中定位的目的是為了刀具在主軸中獲得準確的位置。圖2 中顯示了柱體表面有端面以及無端面的集中截面選擇方案。

圖2 工具系統縱向截面柱體選擇方案

其中（a）圖與（b）圖屬于無端面定位，而（c）圖與（d）圖屬于有端面的定位方案。有端面的方案由于采用了端面的支撐使得刀柄的縱向剛度較高。（a）圖與（c）圖的結構相對比較簡單，在生產制造方面較為容易，但是同時存在著柱面配合長度較大，裝卸困難的缺點；（b）圖與（d）圖采用的方案中主軸孔同時與兩個短柱面進行配合，裝卸的行程因此比較短，裝卸較為方便。但是上面的四種方案對于5 種自由度都具有了一定的限制，軸向的定位精度以及剛度較高，但是依賴于刀柄的柱面與主軸之間的配合程度，不具備自動補償的能力，上述方案仍然屬于不完成定位方案。

錐面定位的情況下可以實現縱向的自動補償功能，同時具有徑向定位精度較高而橫向定位精度偏低的特點。其中（a）圖與（b）圖采用了無端面的設計方案，其結構較為簡單，生產制造難度較小，而（c）圖與（d）圖采用了端面設計，生產制造的難度較高，裝卸也不方便。在進行縱向截面方案選擇的時候，要能夠保證刀具與主軸接觸的相互配合，要能夠滿足足夠的盈余量，間隙適當，制造精度要求也比較高。錐面截面選擇方案如圖3所示。

圖3 工具系統縱向截面椎體選擇方案

綜上說述，在普通加床加工中由于主軸的轉速較低，因此可以選擇圖3 中的（a）方案設計；而在高速機床工具系統中則選擇圖3 中的（b）方案設計較為合理。

2.3 高速工具截面優化方案選擇

在實際的工程產品研發中，主軸產品的結構類型較多，互換性能較差，給產品的使用以及維護方面都帶來了一定困難[3]。因此，通過以上的分析可以得知，在工具系統的縱向截面可以使用椎面形狀進行設計，保證其良好的工藝性以及定位準確、自動補償的功能特點；在橫向截面的方案選擇中采用圓形設置，在高速工具系統中圓錐面的應用最為合理，最能夠反映工程實際的需求。

3 機床高速工具系統夾緊機構受力分析

高速工具系統的夾緊機構，采用了內漲式的基本原理，最典型的應用方案有球面斜截式、懸掛式夾爪斜楔夾緊以及短滑塊斜楔夾緊結構等[4]。夾緊機構的受力情況對于系統的工作特性有較為重要的影響，以下以及短滑塊斜楔夾緊結構為例，分析夾緊結構的受力情況。

圖4 短滑塊斜楔夾緊結構受力分析

在X 以及Y 方向建立受力平衡方程有：

因此，可以通過方程組求解出所收到的夾緊力F3的大小，并從中分析出夾緊力的相關因素，為改善系統特性提供理論參考。在夾緊力分析中，夾緊力的系數也是極為重要的指標，在機床系統中，放大系數越大則機床的工具系統機構效率越高[5]。從以上的分析中可以得知，夾緊機構的放大系數與接觸面的摩擦系數以及斜面角具有密切的聯系，一般而言，摩擦系數越小則放大系數越大，在工程應用中由于工具系統的物理特性基本確定，因此，主要考慮由斜面的角度來進行放大系數的調整優化。由放大系數與斜面角的函數關系可以發現，在斜面角在0~45°的范圍內，夾緊力放大系數隨著斜面角的減小不斷增大，同時，通過公式可以發現縱向的放大分系數的增加比橫向要更為明顯。在進行理論分析后，對于工具系統夾緊力的設計就有了基本的理論指導，可以為工具系統工程設計提供重要的參考。

4 結束語

針對高速系統主軸轉速較高，系統對于定位精度、剛度以及平衡度要求的特點，以及目前高速系統工具在工程時間中存在在問題，作為主軸以及刀具連接部分的刀具系統要能夠滿足多個方面的要求，主要是要采用合適的橫向以及縱向端面設計，采取空心刀柄結構，采取合理的方案改善系統的夾緊性能等。文中的分析可以為實際高速機床刀具系統的設計提供重要的理論依據以及實踐基礎。

[1]張博霖.高速切削技術及應用[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2]王樹林. HSK 工具系統夾緊系統分析研究[J]. 現代制造工程，2002，（12）：66-68.

[3]李崇華編.電氣控制技術[M].重慶:重慶大學出版社，2004.

[4]白銘生，陳組蘇.流體機械[M].北京:煤炭工業出版社，1983.