淺談高速切削刀具裝夾系統的發展

李丹

摘要：高速切削刀具裝夾系統，是高速切削加工的重要技術。本文探討了刀具裝夾系統的刀柄技術、刀具夾頭技術、刀具動平衡技術的特點及應用，并對高速加工的發展進行描述。

關鍵字：高速切削；刀具-機床接口；刀具裝夾夾頭；刀具動平衡

一、引言

高速切削是指比常規切削速度高出數倍的速度下進行切削。近年，由于其高效、優質、低耗在航天、模具、電子等行業得到廣泛的應用。

高速切削是一項系統技術，對機床的結構、軸承技術、刀具裝夾系統、動平衡技術、高速冷卻系統都有更高的要求。本文僅高速切削中的刀具裝夾系統技術的現狀和發展做分析。

高速切削裝夾系統主要涉及三項技術：刀具-機床接口、刀具夾頭形式、刀具動平衡。

二、刀具-機床接口（刀柄）技術

傳統BT （7：24錐度）刀柄特點是實心長軸， 當主軸的轉速達到每分鐘數萬轉，在離心力的作用下，錐柄不能脹大，使刀柄與主軸錐孔間出現明顯的間隙，導致BT工具系統軸向精度下降。

現在高速切削使用刀柄特點是空心、短軸（與7：24錐柄相比，重量減少50%，長度約為7：24錐柄的1/3），且在主軸錐面和端面采用兩面約束過定位夾持系統。具有重復定位精度高，動靜剛度高、換刀時間短的優點。具有代表的有德國的HSK （德文Hohl Shaft Kegel縮寫）刀具系統、美國的KM刀具系統、日本的NC5刀具系統等。

（一）、HSK刀柄

HSK刀柄已列為德國DIN69893標準，錐度1：10，錐體尾部有端面鍵槽傳遞扭矩，夾緊機構夾爪鉤抓住刀柄內孔30?錐面，夾緊時薄壁錐體產生彈性變形，使錐體和端面同時靠緊。

圖1 HSK的雙重定位結構

（二）、KM刀柄

KM刀柄與HSK相似，錐度1：10，錐體尾部有端面鍵槽傳遞扭矩，但夾緊機構不同。KM刀柄的拉桿上有兩個對稱的圓弧凹槽，夾緊刀柄時，鋼球沿凹槽的斜面推出，卡在刀柄的鎖緊斜面上薄壁錐面產生彈性變形，使刀柄端面與主軸端面貼緊。

KM特點的最高轉速課達50000r/min，重復定位精度在0.002mm以內，動靜剛度比HSK高，但強度略差。

圖2 KM刀柄的結構

（三）、NC5刀柄

NC5刀柄定位原理與上述系統相同。不同是把1：10的錐柄分成錐套和圓柱柄兩個部分套在一起，錐套端面有碟形彈簧，錐柄尾端有螺釘孔。刀柄夾緊時，錐套產生彈性變形，并壓緊彈簧。刀柄尾部沒有傳遞扭矩的鍵槽，軸向尺寸比HSK刀柄短。孔壁較厚，強度高，可滿足重切削的需要。

圖 3 NC5刀柄結構圖

三、刀具裝夾夾頭：

使用較為廣泛的刀具夾頭有：

（一）、三棱變形靜壓夾頭（應力鎖緊式刀具夾頭）

圖4 三棱變形靜壓夾頭原理

該夾頭的內孔（見圖4）在自由狀態下為三棱形，三棱的內切圓直徑小于要裝夾的刀柄直徑。利用一個液壓加力裝置，對夾頭施加外力，使夾頭變形，內孔變為圓孔，孔徑略大于刀柄直徑。此時插入刀柄，然后卸掉所加外力，內孔重新收縮程三棱形，對刀柄實現三點加緊。這種夾頭結構緊湊，對稱性好，精度高，裝卸簡單，對不同膨脹系數的硬質合金刀柄和高速鋼刀柄均適用，

（二）、熱裝式夾頭

利用熱感應裝置，使刀柄的夾持部分在短時間內加熱，刀柄內徑隨之擴張，此時立即將刀具裝入刀柄內，刀柄冷卻收縮時即可賦予刀具夾持面均勻的壓力。熱裝夾頭使用一種reshuffle的金屬材料，其線膨脹系數遠大于一般的金屬材料，在300°C左右，膨脹量足以滿足刀具的裝卸。Thermo grip工具系統采用高能場的感應加熱線圈， 10s以內即可將刀柄夾持部分加熱。配套一種冷卻襯套，可直接與被加熱的Thermo grip夾頭外圓接觸，將熱量盡快傳至冷卻棱條上，棱條有較高的強制冷卻的作用，可保證60 s內是刀柄溫度降至安全使用的程度，每分鐘更換三四把刀具。

（三）、高精度彈簧夾頭

高精度彈簧夾頭的夾持精度可大1～3μm。螺母分為內外兩個部分，在螺母中設有軸承，在鎖緊時，螺母不會在夾套上摩擦，也不會給夾套加扭力。確保把持精度和把持力，延長夾套及螺母的壽命。

四、刀具動平衡

由于刀體里存在缺陷，或刀具設計不對稱，或刀具進行過新的調節，都有可能引起刀具系統的不平衡。高速旋轉的刀柄如果不平衡量太大，會引起主軸及其部件的額外振動和刀具的不規則磨損，縮短刀具壽命，降低零件的加工質量

高速切削刀具系統的動平衡措施有：裝平衡環、內裝動平衡機構的刀柄（通過調整補償環移動內部配重的位置以補償不平衡量）、增加材料或去除材料。

五、發展方向

高速切削刀具裝夾系統的發展趨勢：1）加緊精度高，在懸伸3D（D-機床主軸前軸頸的直徑）處的定位精度≤3?m，加工精度高；2）傳遞轉矩大，能適應高效切削的需要3） 結構對稱性好，有利于刀具的平衡；4）外形尺寸小，可加大的刀具懸伸量 ，擴大加工范圍。

參考文獻：

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