高速機床加工主軸與刀具的聯(lián)結設計

高速加工具有比普通加工大5～10倍的切削速度，其優(yōu)點是能減少加工時間，達到普通加工需要幾道工序才能達到的加工精度和表面質量。與高速切削有關的主要問題有：刀具材料及設計、高速機床主軸的動平衡、機床的熱態(tài)動態(tài)性能及可靠性等。而刀具與主軸的聯(lián)結問題會嚴重影響高速切削的可靠性及機床主軸的動平衡，已成為限制高速切削的薄弱環(huán)節(jié)之一。

一、高速切削對刀/軸聯(lián)結要求

高速加工要求確保高速下主軸與刀具聯(lián)結狀態(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膨脹，膨脹量的大小隨著旋轉半徑與轉速的增大而增大，標準的7/24實心刀柄膨脹量較小，因此標準錐度聯(lián)結的剛度會下降，在拉桿拉力的作用下，刀具的軸向位置會發(fā)生改變(見圖1)。主軸的膨脹還會引起刀具及夾緊機構質心的偏離，從而影響主軸的動平衡。要保證這種聯(lián)結在高速下仍有可靠的接觸，需有一個很大的過盈量來抵消高速旋轉時主軸軸端的膨脹，如標準40號錐需初始過盈量為15～20µm，再加上消除錐度配合公差帶的過盈量(AT4級錐度公差帶達13µm)，因此這個過盈量很大。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現(xiàn)，對換刀也非常不利，還會使主軸端部膨脹，對主軸前軸承有不良影響。

高速加工對動平衡要求非常高，不僅要求主軸組件需精密動平衡(G0.4級以上)，而且刀具及裝夾機構也需精密動平衡。但是，傳遞轉矩的鍵和鍵槽很容易破壞動平衡，而且，標準的7/24錐柄較長，很難實現(xiàn)全長無間隙配合，一般只要求配合面前段70%以上接觸，因此配合面后段會有一定的間隙，該間隙會引起刀具徑向跳動，影響結構的動平衡。鍵是用來傳遞轉矩和進行角向定位的，為解決鍵及鍵槽引起的動平衡問題，可以嘗試研究一種刀/軸聯(lián)結實現(xiàn)在配合處產(chǎn)生很大的摩擦力以傳遞轉矩，并用在刀柄上作標記的方法實現(xiàn)安裝的角向定位，達到取消鍵的目的。

二、標準7/24錐聯(lián)結的優(yōu)缺點

標準的7/24錐聯(lián)結有許多優(yōu)點：因不自鎖，可實現(xiàn)快速裝卸刀具；刀柄的錐體在拉桿軸向拉力的作用下，緊緊地與主軸的內錐面接觸，實心的錐體直接在主軸內錐孔內支承刀具，可以減小刀具的懸伸量；這種聯(lián)結只有一個尺寸即錐角需加工到很高的精度，所以成本較低而且可靠，多年來應用非常廣泛。

但是，7/24聯(lián)結也有一些缺點；錐度較大，錐柄較長，錐體表面同時要起兩個重要的作用，即刀具相對于主軸的精確定位及實現(xiàn)刀具夾緊并提供足夠的聯(lián)結剛度。由于它不能實現(xiàn)與主軸端面和內錐面同時定位，所以標準的7/24刀/軸錐聯(lián)結在主軸端面和刀柄法蘭端面間有較大的間隙。在ISO標準規(guī)定7/24錐度配合中，主軸內錐孔的角度偏差為“－”，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，在配合的后段還會產(chǎn)生間隙，如典型的AT4級(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13µm，這個徑向間隙會導致刀尖的跳動和破壞結構的動平衡，還會形成以接觸前端為支點的條件，當?shù)毒咚�受的彎矩超過拉桿軸向拉力產(chǎn)生的摩擦力矩時，刀具會以前段接觸區(qū)為支點擺動。在切削力作用下，刀具在主軸內錐孔的這種擺動，會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)結的剛度對錐角的變化和軸向拉力的變化很敏感。當拉力增大4～8倍時，聯(lián)結的剛度可提高20%～50%，但是，過大的拉力在頻繁的換刀過程中會加速主軸內孔的磨損，使主軸內孔膨脹，影響主軸前軸承的壽命。

另外，如前所述，這種實心刀柄的錐聯(lián)結在高速旋轉時，主軸端部擴張量大于錐柄的擴張量，高速性能差，不適合超高速主軸與刀具的聯(lián)結。

三、典型高速主軸/刀具聯(lián)結設計

在高速主軸設計中，目前對刀軸聯(lián)結研究較成功的設計主要兩大類型，一是摒棄原有的7/24標準錐度而采用新思路的替代性設計，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錐度而進行改進性設計，這種設計可實現(xiàn)現(xiàn)有主軸結構向高速化的過渡，如美國的WSU系列刀柄。

替代型的設計

“曲線耦合”的結構：這種結構由兩部分組成，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)結精度較高，聯(lián)結剛度也較好，裝卸刀具需要的軸向移動量很小(5～10mm)。但對聯(lián)結用的螺旋齒形精度要求較高，結構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計，換刀時要使兩部分齒形精確嚙合需較長調整時間，影響換刀速度。

andvik公司的三棱錐結構(本站注：該結構被稱為Capto)：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的空心短錐結構。實現(xiàn)了錐面與端面同時接觸定位，三棱結構可實現(xiàn)轉矩傳遞，不再需要傳動鍵，消除了因傳動鍵和鍵槽引起的動平衡問題。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，配合會自鎖。

KM系列(本站注：該結構為Kennametal專利)：采用1/10短錐配合，錐柄的長度僅為標準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定位而產(chǎn)生的干涉問題，刀柄設計成中空的結構，在拉桿軸向拉力作用下，短錐可徑向收縮，實現(xiàn)端面與錐面同時接觸定位。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準的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時的擴張小，高速性能好。這種系統(tǒng)的主要缺點是，主軸端部需重新設計，與傳統(tǒng)的7/24錐聯(lián)結不兼容；短錐的自鎖會使換刀困難；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現(xiàn)，這樣增加了刀具的懸伸量，對于聯(lián)結剛度有一定的削弱。由于端面接觸定位是以空心短錐和主軸變形為前提實現(xiàn)的，主軸的膨脹會惡化主軸軸承的工作條件，影響軸承的壽命。

HSK刀柄：這種結構是由德國阿亨大學機床研究室(WZL)專為高速機床主軸開發(fā)的一種刀軸聯(lián)結結構，已被DIN標準化。HSK短錐刀柄采用1∶10的錐度，它的設計近似于KM系列，它的錐體比標準的7/24錐短，錐柄部分采用薄壁結構，錐度配合的過盈量較小，對刀柄和主軸端部關鍵尺寸的公差帶特別嚴格，由于短錐嚴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結合面緊密接觸，具有很高的聯(lián)結精度和剛度。當主軸高速旋轉時，盡管主軸端會產(chǎn)生擴張，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，主軸轉速對聯(lián)結剛度影響小。拉桿通過楔形結構對刀柄施加軸向力(見圖2)。

HSK也有缺點：它與現(xiàn)在的主軸端面結構和刀柄不兼容；制造精度要求較高，結構復雜，成本較高(刀柄的價格是普通標準7/24刀柄的1.5～2倍)；錐度配合過盈量較小(是KM結構的1/5～1/2)，極限轉速比KM結構低。

改進型的設計

該類型的聯(lián)結是以開發(fā)出比普通7/24錐聯(lián)結具有較好精度、剛度和高速性能，同時又能與現(xiàn)存的主軸端部和刀柄兼容為出發(fā)點設計出來的。

錐面與端面同時接觸定位的WSU-1：這種設計利用了“虛擬錐度”的概念，即以離散的點或線形成一個錐面，與主軸內錐孔面接觸(見圖3)。實現(xiàn)這些點線接觸 的元件是彈性的，因此，當拉桿軸向拉力使刀柄與主軸端面定位接觸時，只會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，也不會使主軸膨脹，對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準刀柄錐度直徑要小，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，刀柄在主軸錐孔內移動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)結的主要優(yōu)點有：實現(xiàn)了端面與錐面的同時接觸定位，剛度和高速性能好，主軸不會膨脹，對軸承沒有影響；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��；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矩，替代傳動鍵的作用，可取消鍵，具有良好的動平衡性能。在拉桿拉力25kN作用下，如接觸面摩擦系數(shù)為0.35，則50號錐聯(lián)結可傳遞的轉矩高達360N·m，大于常規(guī)銑削所需的轉矩，可取消傳動鍵。

其主要的缺點是：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。滾珠與錐面接觸會產(chǎn)生永久變形，出現(xiàn)壓痕，對重復定位精度會有影響。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。

Komet公司的ABSC結構：該結構實現(xiàn)了主軸與刀柄的端面定位，具有很高的軸向聯(lián)結剛度，主軸的轉速對聯(lián)結的影響很小。它在結構上仍然采用了7/24的錐度，允許使用標準的7/24刀柄，不同的是，這種結構的專用刀柄中設計有一個內裝式的增力器，使用普通的10～15kN拉桿即可產(chǎn)生較大的軸向拉力，實現(xiàn)刀柄與主軸的端面接觸定位。它的缺點是刀柄的結構復雜，成本較高，而且會使主軸端部膨脹，影響主軸前軸承工作。

改進錐配合的WSU-2結構：對標準的7/24錐配合分析可知，它的主要缺點是配合區(qū)特別是配合的后段會出現(xiàn)間隙，引起剛度下降，磨損加劇和跳動等問題，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，在標準錐柄基礎上設計出的一種方案。如圖4所示，刀柄的結構完全與7/24標準錐柄相同，只是在尾部加工有同軸凹槽，凹槽內安裝有一列或幾列同直徑滾珠，滾珠形成的外包絡直徑約大于刀柄與主軸錐孔配合時可能的間隙直徑，滾珠由保持架固定。刀柄與主軸錐孔配合時，滾珠及其接觸區(qū)變形，消除配合后段可能出現(xiàn)的間隙，解決了標準錐度聯(lián)結出現(xiàn)的靜態(tài)問題。

這種方案較好地解決了標準聯(lián)結的靜態(tài)問題，對標準7/24錐聯(lián)結結構改動小，但同軸凹槽的加工精度要求較高，高速時標準7/24錐聯(lián)結出現(xiàn)的問題仍然存在，因此不適合高速主軸與刀具的聯(lián)結。

四、結論

從以上對現(xiàn)行的標準刀/軸聯(lián)結和各種改進方案分析可知，刀/軸聯(lián)結存在的主要問題是聯(lián)結剛度、精度、動平衡性能、結構的復雜性和制造成本等，為解決這些問題，主要有以下四種方法：(1)對現(xiàn)有結構進行改進，消除聯(lián)結時聯(lián)結面間隙，改善標準聯(lián)結的靜態(tài)性能；(2)嚴格規(guī)定配合公差，并增大軸向拉力，在不改變標準結構的前提下，實現(xiàn)錐-面同時接觸定位；(3)改用小錐度，并采用空心短錐柄結構，實現(xiàn)錐-面同時接觸定位；(4)增大配合預過盈量，同時采取措施防止主軸膨脹，改善標準錐柄的高速性能。這四種方法各有優(yōu)缺點，實際中可根據(jù)需要選用不同方法。

而要使刀/軸聯(lián)結具有良好的高速性能，最佳途徑仍是將標準的僅靠錐面聯(lián)結定位改為錐面與端面同時接觸定位，這顯然是一種過定位方案。緩解其中的過定位問題，德國HSK結構和美國的KM、WSU-1結構值得借鑒。