高速加工工具系統(tǒng)的研究及其進(jìn)展

    1 引言
    高速加工是集材料科學(xué)、工程力學(xué)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)和制造科學(xué)于一體的高新加工技術(shù)，在汽車制造、航空航天和機(jī)械加工多個(gè)行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。高速加工工具系統(tǒng)是高速加工機(jī)床的重要組成部分，其性能直接影響到加工質(zhì)量和加工效率。因此，高速加工工具系統(tǒng)的研究與開發(fā)倍受國內(nèi)外機(jī)械工程專家和學(xué)者的關(guān)注。
    半個(gè)多世紀(jì)以來，傳統(tǒng)的BT(7:24錐度)工具系統(tǒng)在機(jī)械加工中發(fā)揮了重要作用。但是，在高速加工中，主軸工作轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)，在離心力作用下，主軸孔的膨脹量比實(shí)心的刀柄大，使錐柄與主軸的接觸面積減少，導(dǎo)致BT工具系統(tǒng)的徑向剛度、定位精度下降；在夾緊機(jī)構(gòu)拉力的作用下，BT刀柄的軸向位置發(fā)生變化，軸向精度下降，從而影響加工精度；機(jī)床停車時(shí)，刀柄內(nèi)陷于主軸孔內(nèi)將很難拆卸。另外，由于BT工具系統(tǒng)僅使用錐面定位、夾緊，還存在換刀重復(fù)精度低、連接剛度低、傳遞扭矩能力差、尺寸大、重量大、換刀時(shí)間長等缺點(diǎn)。為解決上述問題，美國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼開發(fā)出若干新型工具系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)代機(jī)械加工生產(chǎn)的要求。
    2 國外新型工具系統(tǒng)的開發(fā)
    2.1 HSK工具系統(tǒng)
    HSK刀柄是德國阿亨工業(yè)大學(xué)機(jī)床研究所研究開發(fā)的一種新型的高速短錐刀柄，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是空心、薄壁、短錐，錐度為1:10；端面與錐面同時(shí)定位、夾緊，刀柄在主軸中的定位為過定位；使用由內(nèi)向外的外漲式夾緊機(jī)構(gòu)。
    HSK工具系統(tǒng)最突出的特點(diǎn)就是端面和錐面同步接觸。夾緊時(shí)，由于錐部有過盈，所以錐面受壓產(chǎn)生彈性變形，同時(shí)刀柄向主軸錐孔軸向位移，以消除初始間隙，實(shí)現(xiàn)端面之間的貼合，這樣就實(shí)現(xiàn)了雙面同步夾緊。就其本身的定位而言，這種保證錐面和端面同時(shí)定位的方式實(shí)質(zhì)上是過定位。HSK接口的徑向精度是由錐面接觸特性決定的，這一點(diǎn)與BT錐柄一致(二者的徑向精度均可達(dá)到0.2μm)。HSK接口的軸向精度由接觸端面決定，這與BT錐柄明顯不同，中空結(jié)構(gòu)是HSK刀柄的一個(gè)重要特征。要實(shí)現(xiàn)雙面接觸，錐面必須產(chǎn)生彈性變形，與實(shí)心柄相比，空心柄產(chǎn)生彈性變形容易得多，所消耗的夾緊力也小得多，而當(dāng)主軸高速回轉(zhuǎn)時(shí)，空心薄壁的徑向膨脹量與主軸內(nèi)錐孔相差不大，有利于在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持錐面的可靠接觸。HSK刀柄的空心柄部還為夾緊機(jī)構(gòu)提供了安裝空間，以實(shí)現(xiàn)由內(nèi)向外的夾緊。這種夾緊方式可以把離心力轉(zhuǎn)化為夾緊力，使刀柄在高轉(zhuǎn)速下工作時(shí)夾緊更為可靠。此外，HSK刀柄的空心柄部還使內(nèi)部切削液的供應(yīng)成為可能。
    HSK工具系統(tǒng)以其定位精度高，靜、動(dòng)態(tài)剛度高，尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，適合高速切削等優(yōu)點(diǎn)，已成為高速加工中最有發(fā)展?jié)摿Φ母呒?jí)系統(tǒng)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織最終確定以HSK為新型工具系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，并于2001年頒布了該項(xiàng)ISO標(biāo)準(zhǔn)(ISO12164)。
    2.2 KM工具系統(tǒng)
    KM工具系統(tǒng)是美國Kennametal公司及德國Widia公司聯(lián)合研制的，其基本形狀與HSK很類似，也是采用了1:10的空心短錐配合和雙面定位方式。主要的差別在于夾緊機(jī)構(gòu)不同，KM刀柄是使用鋼球斜面鎖緊，夾緊時(shí)鋼球沿拉桿凹槽的斜面被推出，卡在刀柄上的鎖緊孔斜面上，將刀柄向主軸孔拉緊，刀柄產(chǎn)生彈性變形使刀柄端面與主軸端面貼緊。

    KM工具系統(tǒng)具有高剛度、高精度、快速裝夾和維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)證實(shí)KM刀柄的動(dòng)剛度比HSK系統(tǒng)更高，不過由于KM刀柄錐面上開有對(duì)稱的兩個(gè)供夾緊用的圓弧凹槽，需要非常大的夾緊力才能正常工作。
    2.3 NC5工具系統(tǒng)
    NC5工具系統(tǒng)是日本株式會(huì)社日研工作所開發(fā)的，采用1:10錐度雙面定位結(jié)構(gòu)。錐柄采用實(shí)心結(jié)構(gòu)，使其抗高頻顫振能力優(yōu)于空心短錐結(jié)構(gòu)。其定位原理與HSK、KM相同，不同的是把1:10錐柄分成了錐套和錐柄兩部分，錐套端面有碟型彈簧，具有緩沖抑振作用。通過錐套的微量位移，可以有效吸收錐部基準(zhǔn)圓的微量軸向位置誤差，以便緩和刀柄的制造難度。彈簧的預(yù)壓作用還能衰減切削時(shí)的微量振動(dòng)，有益于提高刀具的耐用度。當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的離心力導(dǎo)致錐孔擴(kuò)張時(shí)，彈簧會(huì)使軸套產(chǎn)生軸向位移，補(bǔ)償徑向間隙，確保徑向精度，由于刀柄本體并未產(chǎn)生軸向移動(dòng)，因此又能保證工具系統(tǒng)的軸向精度。
    2.4 Big-plus工具系統(tǒng)
    Big-plus工具系統(tǒng)是日本大昭和精機(jī)公司開發(fā)的改進(jìn)型7:24錐柄工具系統(tǒng)。該系統(tǒng)與現(xiàn)有的7:24錐柄完全兼容，它將主軸端面與刀具法蘭間的間隙量分配給主軸和刀柄各一半，分別加長主軸和加厚刀柄法蘭的尺寸，實(shí)現(xiàn)主軸端面與刀具法蘭的同時(shí)接觸。裝入刀柄時(shí)伴隨主軸孔的擴(kuò)張使刀具軸向移動(dòng)達(dá)到端面接觸。
    與BT錐柄相比，Big-plus錐柄對(duì)彎矩的承載能力因有一個(gè)加大的支撐直徑而提高，從而增加了裝夾穩(wěn)定性。Big-plus工具系統(tǒng)的夾持剛性高，因此在高速加工中可減少刀柄的跳動(dòng)，提高重復(fù)換刀精度。
    3 國內(nèi)新型工具系統(tǒng)的研究
    我國在新型工具系統(tǒng)的研究方面起步較晚，對(duì)工具系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性分析研究的成果較少。其中成都工具研究所的梁彥學(xué)高工、張鐵銘高工、趙柄禎高工在引進(jìn)HSK工具系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、探索制造工藝及動(dòng)平衡方面作了許多工作。成都工具研究所“九五”期間承擔(dān)了國家重點(diǎn)科技攻關(guān)專題“數(shù)控機(jī)床工具系統(tǒng)工程化技術(shù)的開發(fā)研究”，主要成果是引進(jìn)了HSK刀柄的制造標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了相應(yīng)的加工工藝，并據(jù)此制造出了HSK刀柄及部分檢測(cè)設(shè)備，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。
    在此基礎(chǔ)上，成都工具研究所和江蘇大學(xué)等單位共同承擔(dān)的國家“十五”科技攻關(guān)課題“高速加工工具系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用”，利用有限元法對(duì)高速狀態(tài)下HSK工具系統(tǒng)的特性進(jìn)行了仿真分析、建立了力學(xué)模型和專家知識(shí)庫，為掌握其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性、工作機(jī)理提供了科學(xué)理淪指導(dǎo)和依據(jù)；建立了HSK工具系統(tǒng)柄的標(biāo)準(zhǔn)圖庫及HSK工具系統(tǒng)產(chǎn)品圖庫，制定了HSK工具系統(tǒng)的制造技術(shù)規(guī)范；完成了HSK工具系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的研究工作，制定了HSK工具系統(tǒng)國家標(biāo)準(zhǔn)，為我國HSK工具系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化、推廣應(yīng)用并進(jìn)人國際市場(chǎng)打下了良好的基礎(chǔ)。
    江蘇大學(xué)對(duì)HSK刀柄的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出磨損后的HSK刀柄的重磨方法，減小了刀柄加工誤差的不利影響，使刀柄的性能更可靠，實(shí)現(xiàn)了磨損后的HSK刀柄再利用，降低了生產(chǎn)成本，解決了HSK刀柄磨損后不能再利用的難題。華南理工大學(xué)的劉旺玉利用有限元方法對(duì)HSK薄壁液壓夾頭夾緊扭矩進(jìn)行了分析。山東大學(xué)的張松等借用非線性有限元技術(shù)對(duì)HSK主軸/刀具聯(lián)接的變形及接觸應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，討論了旋轉(zhuǎn)速度和過盈量對(duì)接觸應(yīng)力的影響。

    4 工具系統(tǒng)研究中存在的問題及其對(duì)策
    4.1 開發(fā)工具系統(tǒng)制造與檢測(cè)一體化技術(shù)，提高刀柄的加工質(zhì)量
    高速加工的工具系統(tǒng)大都采用過定位的雙面夾緊方式，因此對(duì)加工精度要求很高，否則將嚴(yán)重影響其使用性能。目前即使國外的著名工具生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)HSK刀柄時(shí)，也很難做到所有的加工精度指標(biāo)都滿足HSK的ISO12164標(biāo)準(zhǔn)。因此，探索先進(jìn)的加工方法和加工工藝，開發(fā)關(guān)鍵工序的檢測(cè)儀器，提高和穩(wěn)定工具系統(tǒng)的加工質(zhì)量是高速加工工具系統(tǒng)研究中要解決的共同問題。
    4.2 提高工具系統(tǒng)和機(jī)床連接的動(dòng)平衡精度，減少高速下的切削振動(dòng)
    在高速加工中，工具系統(tǒng)微小的不平衡都可能造成巨大的離心力，引起機(jī)床和加工過程的振動(dòng)，這不僅影響零件的加工精度和表面質(zhì)量，而且容易損壞刀具，降低主軸軸承的精度和壽命，因此，需要尋求新的動(dòng)平衡標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)量方法，開發(fā)高精度的動(dòng)平衡技術(shù)。
    4.3 開發(fā)智能型工具系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)使用過程的智能化控制
    加強(qiáng)在線自動(dòng)動(dòng)平衡裝置的開發(fā)，使工具系統(tǒng)具有在線自動(dòng)動(dòng)平衡功能。研制具有在線故障預(yù)報(bào)功能的工具系統(tǒng)，使其在安裝或使用中出現(xiàn)故障時(shí)可以自動(dòng)報(bào)警，使高速加工更安全。
    4.4 提高刀具和主軸錐孔的配合精度，提高聯(lián)接可靠性
    工具系統(tǒng)與主軸之間采用錐面和端面同時(shí)定位夾緊的方式，由于錐面存在著過盈，在高速情況下，錐面的應(yīng)力變形會(huì)更加嚴(yán)重，從而使工具系統(tǒng)的可靠性下降，因此需要加強(qiáng)對(duì)錐面配合方式和配合精度的研究，以加強(qiáng)工具系統(tǒng)的可靠性。
    5 結(jié)語
    目前，高速切削加工已成為現(xiàn)代制造的重要發(fā)展方向之一，但對(duì)高速加工工具系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究還不夠充分，對(duì)影響工具系統(tǒng)的關(guān)鍵因素的研究還有待深人�？v觀各工業(yè)發(fā)達(dá)國家對(duì)新型工具系統(tǒng)的研究和開發(fā)情況可以看出，高速加工工具系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是：優(yōu)先采用具有端面和錐面雙面定位的過定位方式，進(jìn)一步提高刀柄的制造精度，開發(fā)多功能和智能刀柄。除此以外，盡快實(shí)現(xiàn)高速加工工具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化也是一個(gè)不容忽視的問題。