高速加工工具系统的研究

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1、高速加工工具系统的研究高速加工是集材料科学、工程力学、机械动力学和制造科学于一•体的高新加工技术，在汽车制造、航空航天和机械加工多个行业得到了越来越广泛的应用。高速加工工具系统是高速加工机床的重要组成部分，其性能直接影响到加工质量和加工效率。因此，高速加工工具系统的研究与开发倍受国内外机械工程专家和学者的关注。半个多世纪以来，传统的BT（7:24锥度）工具系统在机械加工中发挥了重要的作用。图1是高速加工时BT_E具系统工作示意图。高速加工时主轴工作转速达到每分钟数万转，在离心力作川下主轴孔的膨胀量比实心的刀柄大，使锥柄与主轴的接触面积减少，导致

2、BT工具系统的径向刚度、定位秸度下降；在夹紧机构拉力的作用下，BT刀柄的轴向位置发生变化，轴向精度下降,从而影响加工精度;机床停车时,刀柄内陷于主轴孔内将很难拆卸。另外,由TBTI具系统仅使用锥面定位、夹紧，还存在换刀重复粘•度低、连接刚度低、传递扭矩能力差、尺寸大、重量大、换刀时间长等缺点。为解决上述问题，美国、徳国、日本等工业发达国家相继开发出若干新型工具系统，以满足现代机械加工生产的要求。2国外新型工具系统的开发1.HSKI具系统HSK刀柄是徳国阿亨工业大学机床研究所研究的一种新型的高速短锥刀柄（见图2a）,其结构特点是空心、薄壁、短锥，

3、锥度为1:10；端而与锥而同时定位、夹紧，刀柄在主轴中的定位为过定位；使用山内向外的外涨式夹紧机构。HSK工具系统最突出的特点就是端而和锥而同步接触。夹紧时，山于锥部有过盈，所以锥面受压产牛弹性变形，同时刀柄向主轴锥孔轴向位移，以消除初始间隙，实现端UiZ间的贴合，这样就实现了双面同步夹紧。就其本身的定位而言，这种保证锥面和端面同时定位的方式实质上是过定位。HSK接口的径向精度是由锥血接触特性决定的，这一点与BT锥柄一致（二者的径向精度均可达到0.2pm）。HSK接口的轴向精度山接触端血决定，这与BT锥柄明显不同，屮空结构是HSK刀柄的一个重要

4、特征。要实现双而接触，锥而必须产生弹性变形,与实心柄相比，空心柄产生弹性变形容易得多，所消耗的夹紧力也小得多，而当主轴高速冋转时，空心薄壁的径向膨胀量与主轴内锥孔相差不大，有利于在较大转速范围内保持锥血的可靠接触。HSK刀柄的空心柄部还为夹紧机构提供了安装空间，以实现市内向外的夹紧。这种夹紧方式可以把离心力转化为夹紧力，使刀柄在高转速下工作时的夹紧更为可靠。此外,HSK刀柄的空心柄部还使内部切削液的供应成为可能。HSK工具系统以其定位精度高，静、动态刚度高，尺寸小、重量轻、结构紧凑，适合高速切削等优点，已成为高速加工屮最有发展潜力的高级系统。国

5、际标准化组织最终确定以HSK为新型工具系统的国际标准，并于2001年颁布了该项ISO标准(ISO12164)。1.KM工具系统KM工具系统是美国肯纳金属(Kennametal)公司及徳国维辿亚(Widia)公司联合研制的(见图2b),其基本形状与HSK很类似，也是采用了1:10的空心短锥配合和双面定位方式。主要的差别在于夹紧机构的不同，KM刀柄是使用钢球斜血锁紧，夹紧时钢球沿拉杆凹槽的斜面被推出，卡在刀柄上的锁紧孔斜而上，将刀柄向主轴孔拉紧，刀柄产生弹性变形使刀柄端而与主轴端面贴紧。KM工具系统具有高刚度、高精度、快速装夹和维护简单等优点。试验

6、证实KM刀柄的动刚度比HSK系统更高，不过市于KM刀柄锥血上开有对称的两个供夹紧用的圆弧凹槽，需耍非常大的夹紧力才能止常工作。(a)HSK(b)KM(c)NC5M揑钉图2三种代表性的新型刀柄示意图2.NC5工具系统NC5工具系统是H本株式会社H研工作所开发的(见图2c),采用1:10锥度双面定位结构。锥柄采用实心结构，使其抗高频颤振能力优于空心短锥结构。其定位原理与HSK、KM相同，不同的是把1/10锥柄分成了锥套和锥柄两部分，锥套端而有碟型弹簧，具冇缓冲抑振作用。通过锥套的微量位移，可以有效吸收锥部基准圆的微虽轴向位置谋差，以便缓和刀柄的制造

7、难度。弹簧的预压作川还能衰减切削时的微量振动，有益于提高刀具的耐川度。当高速旋转的离心力导致锥孔扩张时，弹簧会使轴套产生轴向位移，补偿径向间隙，确保径向粘度，由于刀柄木体并未产生轴向移动，因此乂能保证工具系统的轴向精度。图3BT刀柄与Big-plus刀柄对比图1.Big-plus工具系统Big-plus工具系统是口本人昭和秸机公司开发的改进型7:24锥柄工具系统（见图3）。该系统与现令的7:24锥柄完全兼容，它将主轴端面与刀具法兰间的问隙量分配给主轴和刀柄各一半，分别加长主轴和加厚刀柄法兰的尺寸，实现主轴端面与刀具法兰的同时接触。装入刀柄时伴随

8、主轴孔的扩张使刀具轴向移动达到端面接触。与BT锥柄相比，Big-plus锥柄对弯矩的承载能力因有一个加大的支撑直径而提高，从而增加了装夹稳定性。Big