高速機(jī)床主軸/刀具聯(lián)結(jié)的設(shè)計(jì)

       高速加工具有比普通加工大5～10倍的切削速度，其優(yōu)點(diǎn)是能減少加工時(shí)間，達(dá)到普通加工需要幾道工序才能達(dá)到的加工精度和表面質(zhì)量。與高速切削有關(guān)的主要問題有：刀具材料及設(shè)計(jì)、高速機(jī)床主軸的動(dòng)平衡、機(jī)床的熱態(tài)動(dòng)態(tài)性能及可靠性等。而刀具與主軸的聯(lián)結(jié)問題會(huì)嚴(yán)重影響高速切削的可靠性及機(jī)床主軸的動(dòng)平衡，已成為限制高速切削的薄弱環(huán)節(jié)之一。
一、高速切削對(duì)刀/軸聯(lián)結(jié)要求 
   高速加工要求確保高速下主軸與刀具聯(lián)結(jié)狀態(tài)不能發(fā)生變化。但是，高速主軸的前端錐孔由于離心力的作用會(huì)膨脹，膨脹量的大小隨著旋轉(zhuǎn)半徑與轉(zhuǎn)速的增大而增大，標(biāo)準(zhǔn)的7/24實(shí)心刀柄膨脹量較小，因此標(biāo)準(zhǔn)錐度聯(lián)結(jié)的剛度會(huì)下降，在拉桿拉力的作用下，刀具的軸向位置會(huì)發(fā)生改變。主軸的膨脹還會(huì)引起刀具及夾緊機(jī)構(gòu)質(zhì)心的偏離，從而影響主軸的動(dòng)平衡。要保證這種聯(lián)結(jié)在高速下仍有可靠的接觸，需有一個(gè)很大的過盈量來抵消高速旋轉(zhuǎn)時(shí)主軸軸端的膨脹，如標(biāo)準(zhǔn)40號(hào)錐需初始過盈量為15～20μm，再加上消除錐度配合公差帶的過盈量(AT4級(jí)錐度公差帶達(dá)13μm)，因此這個(gè)過盈量很大。這樣大的過盈量需拉桿產(chǎn)生很大的拉力，拉桿產(chǎn)生這樣大的拉力一般很難實(shí)現(xiàn)，對(duì)換刀也非常不利，還會(huì)使主軸端部膨脹，對(duì)主軸前軸承有不良影響。
   高速加工對(duì)動(dòng)平衡要求非常高，不僅要求主軸組件需精密動(dòng)平衡(G0.4級(jí)以上)，而且刀具及裝夾機(jī)構(gòu)也需精密動(dòng)平衡。但是，傳遞轉(zhuǎn)矩的鍵和鍵槽很容易破壞動(dòng)平衡，而且，標(biāo)準(zhǔn)的7/24錐柄較長，很難實(shí)現(xiàn)全長無間隙配合，一般只要求配合面前段70%以上接觸，因此配合面后段會(huì)有一定的間隙，該間隙會(huì)引起刀具徑向跳動(dòng)，影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)平衡。鍵是用來傳遞轉(zhuǎn)矩和進(jìn)行角向定位的，為解決鍵及鍵槽引起的動(dòng)平衡問題，可以嘗試研究一種刀/軸聯(lián)結(jié)實(shí)現(xiàn)在配合處產(chǎn)生很大的摩擦力以傳遞轉(zhuǎn)矩，并用在刀柄上作標(biāo)記的方法實(shí)現(xiàn)安裝的角向定位，達(dá)到取消鍵的目的。   二、標(biāo)準(zhǔn)7/24錐聯(lián)結(jié)的優(yōu)缺點(diǎn) 
   標(biāo)準(zhǔn)的7/24錐聯(lián)結(jié)有許多優(yōu)點(diǎn)：因不自鎖，可實(shí)現(xiàn)快速裝卸刀具；刀柄的錐體在拉桿軸向拉力的作用下，緊緊地與主軸的內(nèi)錐面接觸，實(shí)心的錐體直接在主軸內(nèi)錐孔內(nèi)支承刀具，可以減小刀具的懸伸量；這種聯(lián)結(jié)只有一個(gè)尺寸即錐角需加工到很高的精度，所以成本較低而且可靠，多年來應(yīng)用非常廣泛。
   但是，7/24聯(lián)結(jié)也有一些缺點(diǎn)；錐度較大，錐柄較長，錐體表面同時(shí)要起兩個(gè)重要的作用，即刀具相對(duì)于主軸的精確定位及實(shí)現(xiàn)刀具夾緊并提供足夠的聯(lián)結(jié)剛度。由于它不能實(shí)現(xiàn)與主軸端面和內(nèi)錐面同時(shí)定位，所以標(biāo)準(zhǔn)的7/24刀/軸錐聯(lián)結(jié)在主軸端面和刀柄法蘭端面間有較大的間隙。在ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定7/24錐度配合中，主軸內(nèi)錐孔的角度偏差為“－”，刀柄錐體的角度偏差為“＋”，以保證配合的前段接觸，所以它的徑向定位精度往往不夠，在配合的后段還會(huì)產(chǎn)生間隙，如典型的AT4級(jí)(ISO1947，GB11334-89)錐度規(guī)定角度的公差值為13″，這就意味著配合后段的最大徑向間隙高達(dá)13μm，這個(gè)徑向間隙會(huì)導(dǎo)致刀尖的跳動(dòng)和破壞結(jié)構(gòu)的動(dòng)平衡，還會(huì)形成以接觸前端為支點(diǎn)的條件，當(dāng)?shù)毒咚�受的彎矩超過拉桿軸向拉力產(chǎn)生的摩擦力矩時(shí)，刀具會(huì)以前段接觸區(qū)為支點(diǎn)擺動(dòng)。在切削力作用下，刀具在主軸內(nèi)錐孔的這種擺動(dòng)，會(huì)加速主軸錐孔前段的磨損，形成喇叭口，引起刀具軸向定位誤差。
   7/24錐度聯(lián)結(jié)的剛度對(duì)錐角的變化和軸向拉力的變化很敏感。當(dāng)拉力增大4～8倍時(shí)，聯(lián)結(jié)的剛度可提高20%～50%，但是，過大的拉力在頻繁的換刀過程中會(huì)加速主軸內(nèi)孔的磨損，使主軸內(nèi)孔膨脹，影響主軸前軸承的壽命。
   另外，如前所述，這種實(shí)心刀柄的錐聯(lián)結(jié)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主軸端部擴(kuò)張量大于錐柄的擴(kuò)張量，高速性能差，不適合超高速主軸與刀具的聯(lián)結(jié)。
三、典型高速主軸/刀具聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)
   在高速主軸設(shè)計(jì)中，目前對(duì)刀軸聯(lián)結(jié)研究較成功的設(shè)計(jì)主要兩大類型，一是摒棄原有的7/24標(biāo)準(zhǔn)錐度而采用新思路的替代性設(shè)計(jì)，如德國的HSK系列和美國的KM系列刀具錐柄等。另一種是為降低成本，仍采用現(xiàn)有的7/24錐度而進(jìn)行改進(jìn)性設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有主軸結(jié)構(gòu)向高速化的過渡，如美國的WSU系列刀柄。
   1.替代型的設(shè)計(jì) 
   “曲線耦合”的結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)由兩部分組成，每一部分上面加工有數(shù)目相同的螺旋齒，并分別與主軸前端和刀柄固定。刀具與主軸聯(lián)結(jié)精度較高，聯(lián)結(jié)剛度也較好，裝卸刀具需要的軸向移動(dòng)量很小(5～10mm)。但對(duì)聯(lián)結(jié)用的螺旋齒形精度要求較高，結(jié)構(gòu)的兩部分與主軸和刀柄的固定也有較高的要求，另外主軸端部和刀柄需重新設(shè)計(jì)，換刀時(shí)要使兩部分齒形精確嚙合需較長調(diào)整時(shí)間，影響換刀速度。
   Sandvik公司的三棱錐結(jié)構(gòu)：這種刀柄不是圓錐形，而是三棱錐，其棱為圓弧形，錐度為1/20的空心短錐結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)了錐面與端面同時(shí)接觸定位，三棱結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩傳遞，不再需要傳動(dòng)鍵，消除了因傳動(dòng)鍵和鍵槽引起的動(dòng)平衡問題。但三棱錐特別是主軸三棱錐孔加工困難，加工成本高，與現(xiàn)有刀柄不兼容，配合會(huì)自鎖。
   KM系列：采用1/10短錐配合，錐柄的長度僅為標(biāo)準(zhǔn)7/24錐柄長度的1/3，由于配合錐度較短，部分解決了端面與錐面同時(shí)定位而產(chǎn)生的干涉問題，刀柄設(shè)計(jì)成中空的結(jié)構(gòu)，在拉桿軸向拉力作用下，短錐可徑向收縮，實(shí)現(xiàn)端面與錐面同時(shí)接觸定位。由于錐度配合部分有較大的過盈量(0.02～0.05mm)，所需的加工精度比標(biāo)準(zhǔn)的7/24長錐配合所需的精度低。與其它類型的空心錐聯(lián)結(jié)相比，相同法蘭外徑采用的錐柄直徑較小，主軸錐孔在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的擴(kuò)張小，高速性能好。這種系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是，主軸端部需重新設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的7/24錐聯(lián)結(jié)不兼容；短錐的自鎖會(huì)使換刀困難；由于錐柄是空心的，所以不能用作刀具的夾緊，夾緊需由刀柄的法蘭實(shí)現(xiàn)，這樣增加了刀具的懸伸量，對(duì)于聯(lián)結(jié)剛度有一定的削弱。由于端面接觸定位是以空心短錐和主軸變形為前提實(shí)現(xiàn)的，主軸的膨脹會(huì)惡化主軸軸承的工作條件，影響軸承的壽命。 
   HSK刀柄：這種結(jié)構(gòu)是由德國阿亨大學(xué)機(jī)床研究室(WZL)專為高速機(jī)床主軸開發(fā)的一種刀軸聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，已被DIN標(biāo)準(zhǔn)化。HSK短錐刀柄采用1∶10的錐度，它的設(shè)計(jì)近似于KM系列，它的錐體比標(biāo)準(zhǔn)的7/24錐短，錐柄部分采用薄壁結(jié)構(gòu)，錐度配合的過盈量較小，對(duì)刀柄和主軸端部關(guān)鍵尺寸的公差帶特別嚴(yán)格，由于短錐嚴(yán)格的公差和具有彈性的薄壁，在拉桿軸向拉力的作用下，短錐有一定的收縮，所以刀柄的短錐和端面很容易與主軸相應(yīng)結(jié)合面緊密接觸，具有很高的聯(lián)結(jié)精度和剛度。當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，盡管主軸端會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)張，短錐的收縮得到部分伸張，仍能與主軸錐孔保持良好的接觸，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)聯(lián)結(jié)剛度影響小。拉桿通過楔形結(jié)構(gòu)對(duì)刀柄施加軸向力。
   HSK也有缺點(diǎn)：它與現(xiàn)在的主軸端面結(jié)構(gòu)和刀柄不兼容；制造精度要求較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高(刀柄的價(jià)格是普通標(biāo)準(zhǔn)7/24刀柄的1.5～2倍)；錐度配合過盈量較小(是KM結(jié)構(gòu)的1/5～1/2)，極限轉(zhuǎn)速比KM結(jié)構(gòu)低。
   2.改進(jìn)型的設(shè)計(jì) 
   該類型的聯(lián)結(jié)是以開發(fā)出比普通7/24錐聯(lián)結(jié)具有較好精度、剛度和高速性能，同時(shí)又能與現(xiàn)存的主軸端部和刀柄兼容為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)出來的。
   錐面與端面同時(shí)接觸定位的WSU-1：這種設(shè)計(jì)利用了“虛擬錐度”的概念，即以離散的點(diǎn)或線形成一個(gè)錐面，與主軸內(nèi)錐孔面接觸(見圖3)。實(shí)現(xiàn)這些點(diǎn)線接觸 的元件是彈性的，因此，當(dāng)拉桿軸向拉力使刀柄與主軸端面定位接觸時(shí)，只會(huì)使刀柄錐體的這些彈性元件變形，刀柄不變形。這種方法可使接觸錐部獲得較大的過盈量，而不需太大的拉力，也不會(huì)使主軸膨脹，對(duì)接觸面的污染不敏感。
   WSU-1要求的加工精度與7/24刀柄相同，刀柄的錐部仍采用7/24錐度，但它的直徑比相同法蘭尺寸的標(biāo)準(zhǔn)刀柄錐度直徑要小，錐柄的外表面套有由金屬或塑料保持架固定的相同直徑的滾珠，由滾珠形成的虛擬錐的直徑約比主軸內(nèi)錐孔直徑大5～10μm，在拉桿拉力作用下，滾珠發(fā)生彈性變形，刀柄在主軸錐孔內(nèi)移動(dòng)直到刀柄法蘭與主軸端面接觸為止。 
    滾珠的材料為金屬、塑料或者玻璃，但其制造精度要求很高，球面精度和直徑的制造精度都在1μm以下，嚴(yán)格的制造精度可以保證虛擬錐與主軸錐孔良好的配合。虛擬錐與主軸錐孔的接觸變形包括滾珠與刀具錐柄、滾珠與主軸錐孔的赫茲變形以及滾珠本身的變形。
   這種聯(lián)結(jié)的主要優(yōu)點(diǎn)有：實(shí)現(xiàn)了端面與錐面的同時(shí)接觸定位，剛度和高速性能好，主軸不會(huì)膨脹，對(duì)軸承沒有影響；接觸區(qū)變形大，虛擬錐部與主軸錐孔沒有間隙，因此刀桿跳動(dòng)��；拉桿產(chǎn)生的軸向力在接觸錐部損失小，因此施加在刀軸接觸端面的壓力大，接觸面摩擦力增大，在某種程度上可用來傳遞轉(zhuǎn)矩，替代傳動(dòng)鍵的作用，可取消鍵，具有良好的動(dòng)平衡性能。在拉桿拉力25kN作用下，如接觸面摩擦系數(shù)為0.35，則50號(hào)錐聯(lián)結(jié)可傳遞的轉(zhuǎn)矩高達(dá)360N。m，大于常規(guī)銑削所需的轉(zhuǎn)矩，可取消傳動(dòng)鍵。 
   其主要的缺點(diǎn)是：滾珠的加工精度要求很高，否則所形成的虛擬錐與主軸錐孔難以形成良好的配合。滾珠與錐面接觸會(huì)產(chǎn)生永久變形，出現(xiàn)壓痕，對(duì)重復(fù)定位精度會(huì)有影響。為了獲得良好效果，要求的拉桿拉力較大，建議的拉桿拉力為20～30kN。
   Kemet公司的ABSC結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了主軸與刀柄的端面定位，具有很高的軸向聯(lián)結(jié)剛度，主軸的轉(zhuǎn)速對(duì)聯(lián)結(jié)的影響很小。它在結(jié)構(gòu)上仍然采用了7/24的錐度，允許使用標(biāo)準(zhǔn)的7/24刀柄，不同的是，這種結(jié)構(gòu)的專用刀柄中設(shè)計(jì)有一個(gè)內(nèi)裝式的增力器，使用普通的10～15kN拉桿即可產(chǎn)生較大的軸向拉力，實(shí)現(xiàn)刀柄與主軸的端面接觸定位。它的缺點(diǎn)是刀柄的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，而且會(huì)使主軸端部膨脹，影響主軸前軸承工作。 
   改進(jìn)錐配合的WSU-2結(jié)構(gòu)：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的7/24錐配合分析可知，它的主要缺點(diǎn)是配合區(qū)特別是配合的后段會(huì)出現(xiàn)間隙，引起剛度下降，磨損加劇和跳動(dòng)等問題，因此只要消除配合后段間隙，這些問題即可解決。WSU-2就是基于這種考慮，在標(biāo)準(zhǔn)錐柄基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的一種方案。如圖4所示，刀柄的結(jié)構(gòu)完全與7/24標(biāo)準(zhǔn)錐柄相同，只是在尾部加工有同軸凹槽，凹槽內(nèi)安裝有一列或幾列同直徑滾珠，滾珠形成的外包絡(luò)直徑約大于刀柄與主軸錐孔配合時(shí)可能的間隙直徑，滾珠由保持架固定。刀柄與主軸錐孔配合時(shí)，滾珠及其接觸區(qū)變形，消除配合后段可能出現(xiàn)的間隙，解決了標(biāo)準(zhǔn)錐度聯(lián)結(jié)出現(xiàn)的靜態(tài)問題。
   這種方案較好地解決了標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)的靜態(tài)問題，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)7/24錐聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)改動(dòng)小，但同軸凹槽的加工精度要求較高，高速時(shí)標(biāo)準(zhǔn)7/24錐聯(lián)結(jié)出現(xiàn)的問題仍然存在，因此不適合高速主軸與刀具的聯(lián)結(jié)。
四、結(jié)論 
   從以上對(duì)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)刀/軸聯(lián)結(jié)和各種改進(jìn)方案分析可知，刀/軸聯(lián)結(jié)存在的主要問題是聯(lián)結(jié)剛度、精度、動(dòng)平衡性能、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制造成本等，為解決這些問題，主要有以下四種方法：(1)對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，消除聯(lián)結(jié)時(shí)聯(lián)結(jié)面間隙，改善標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)的靜態(tài)性能；(2)嚴(yán)格規(guī)定配合公差，并增大軸向拉力，在不改變標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)錐-面同時(shí)接觸定位；(3)改用小錐度，并采用空心短錐柄結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)錐-面同時(shí)接觸定位；(4)增大配合預(yù)過盈量，同時(shí)采取措施防止主軸膨脹，改善標(biāo)準(zhǔn)錐柄的高速性能。這四種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際中可根據(jù)需要選用不同方法。
   而要使刀/軸聯(lián)結(jié)具有良好的高速性能，最佳途徑仍是將標(biāo)準(zhǔn)的僅靠錐面聯(lián)結(jié)定位改為錐面與端面同時(shí)接觸定位，這顯然是一種過定位方案。緩解其中的過定位問題，德國HSK結(jié)構(gòu)和美國的KM、WSU-1結(jié)構(gòu)值得借鑒。