高速切削加工用刀柄的發(fā)展現(xiàn)狀

   金屬切削加工已進(jìn)入了一個以高速切削為代表的新的發(fā)展階段，由于高速切削加工能極大地提高材料的切除率和零件的加工質(zhì)量，降低加工成本，因而成為當(dāng)今金屬切削加工的發(fā)展方向之一。高速切削刀具技術(shù)是高速切削加工的一個關(guān)鍵技術(shù)，它包括高速切削刀具材料、刀柄系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)動平衡技術(shù)、刀具監(jiān)測技術(shù)等。本文就高速切削加工用刀柄的發(fā)展現(xiàn)狀作一概述。  

高速切削加工對刀具系統(tǒng)的要求 

所謂刀具系統(tǒng)是指由刀柄、夾頭和切削刀具所組成的完整的刀具體系，刀柄與機(jī)床主軸相連，切削刀具通過夾頭裝入刀柄之中。要使刀具系統(tǒng)能在高速下進(jìn)行切削加工，應(yīng)滿足以下基本條件：  

較高的系統(tǒng)精度  

系統(tǒng)精度包括系統(tǒng)定位夾持精度和刀具重復(fù)定位精度，前者指刀具與刀柄、刀柄與機(jī)床主軸的連接精度；后者指每次換刀后刀具系統(tǒng)精度的一致性。刀具系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)精度，才能保證高速加工條件下刀具系統(tǒng)應(yīng)有的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性。  

較高的系統(tǒng)剛度

刀具系統(tǒng)的靜、動剛度是影響加工精度及切削性能的重要因素。刀具系統(tǒng)剛度不足會導(dǎo)致刀具系統(tǒng)振動，從而降低加工精度，并加劇刀具的磨損，降低刀具的使用壽命。  

較好的動平衡性  

高速切削加工條件下，微小質(zhì)量的不平衡都會造成巨大的離心力，在加工過程中引起機(jī)床的急劇振動。因此，高速刀具系統(tǒng)的動平衡非常重要。 

傳統(tǒng)實(shí)心長刀柄結(jié)構(gòu)存在的問題 

目前，在數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床和加工中心上使用的傳統(tǒng)刀柄是標(biāo)準(zhǔn)7:24錐度實(shí)心長刀柄。這種刀柄與機(jī)床主軸的連接只是靠錐面定位，主軸端面與刀柄法蘭端面間有較大間隙。這種刀柄結(jié)構(gòu)在高速切削條件下會出現(xiàn)下列問題：  

刀具動、靜剛度低  

刀具高速旋轉(zhuǎn)時，由于離心力的作用，主軸錐孔和刀柄均會發(fā)生徑向膨脹，膨脹量大小隨旋轉(zhuǎn)半徑和轉(zhuǎn)速的增大而增大。這就會造成刀柄的膨脹量小于主軸錐孔的膨脹量而出現(xiàn)配合間隙，使得本來只靠錐面結(jié)合的低剛性連接的剛度進(jìn)一步降低。  

動平衡性差  

標(biāo)準(zhǔn)7:24錐度柄較長，很難實(shí)現(xiàn)全長無間隙配合，一般只要求配合前段70%以上接觸，而后段往往會有一定間隙。該間隙會引起刀具的徑向圓跳動，影響刀具系統(tǒng)的動平衡。  

重復(fù)定位精度低  

當(dāng)采用ATC(Automatic Tool Changing，自動換刀)方式安裝刀具時，由于錐度較長，難以保證每次換刀后刀柄與主軸錐孔結(jié)合的一致性。同時，長刀柄也限制了換刀過程的高速化。 

多種新型刀柄的開發(fā)與應(yīng)用 

為了適應(yīng)高速切削加工對刀具系統(tǒng)的要求，最近10年各工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼研制開發(fā)了多種新型結(jié)構(gòu)的刀柄。簡介如下。  

HSK刀柄  

HSK(德文Hohlschaftkegel縮寫)刀柄是德國阿亨(Aachen)工業(yè)大學(xué)機(jī)床研究所在20世紀(jì)90年代初開發(fā)的一種雙面夾緊刀柄，它是雙面夾緊刀柄中最具有代表性的。HSK刀柄已于1996年列入德國DIN標(biāo)準(zhǔn)，并于2001年12月成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO12164。由于其剛度和重復(fù)定位精度較標(biāo)準(zhǔn)7:24錐度柄提高了幾倍至幾十倍，因此在機(jī)械制造業(yè)得到了廣泛的認(rèn)同和采用。例如，在德國奔馳汽車公司和大眾汽車公司，HSK刀柄被廣泛用于銑削、鉆削和車削加工中。在我國一汽大眾公司的發(fā)動機(jī)、傳動器生產(chǎn)線上共有二百五十多臺數(shù)控機(jī)床采用了HSK高速短錐空心柄工具系統(tǒng)，共6個規(guī)格。  

HSK刀柄由錐面(徑向)和法蘭端面(軸向)雙面定位，實(shí)現(xiàn)與主軸的剛性連接，如圖1所示。當(dāng)?shù)侗�在機(jī)床主軸上安裝時，空心短錐柄與主軸錐孔能完全接觸，起到定心作用。此時，HSK刀柄法蘭盤與主軸端面之間還存在約0.1mm的間隙。在拉緊機(jī)構(gòu)作用下，拉桿的向右移動使其前端的錐面將彈性夾爪徑向脹開，同時夾爪的外錐面作用在空心短錐柄內(nèi)孔的30°錐面上，空心短錐柄產(chǎn)生彈性變形，并使其端面與主軸端面靠緊，實(shí)現(xiàn)了刀柄與主軸錐面和主軸端面同時定位和夾緊的功能。 

                      圖1 HSK刀柄與主軸連接結(jié)構(gòu)與工作原理  
這種刀柄結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是：  

有效地提高刀柄與機(jī)床主軸的結(jié)合剛度。由于采用錐面、端面過定位結(jié)合，使刀柄與主軸的有效接觸面積增大，并從徑向和軸向進(jìn)行雙面定位，大大提高了刀柄與主軸的結(jié)合剛度，克服了傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)7:24錐度柄在高速旋轉(zhuǎn)時剛度不足的弱點(diǎn)。  

有較高的重復(fù)定位精度，并且自動換刀動作快，有利于實(shí)現(xiàn)ATC的高速化。由于采用1:10的錐度，其錐部長度短(大約是7:24錐柄相近規(guī)格的一半)。每次換刀后刀柄與主軸的接觸面積一致性好，故提高了刀柄的重復(fù)定位精度。由于采用空心結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，便于自動換刀。  

具有良好的高速鎖緊性。刀柄與主軸間由彈性擴(kuò)張爪鎖緊，轉(zhuǎn)速越高，擴(kuò)張爪的離心力越大，鎖緊力越大。 

按德國DIN標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，HSK刀柄采用平衡式設(shè)計，其結(jié)構(gòu)形式有A、B、C、D、E、F6種型式，每一種型式又有多種尺寸規(guī)格。A、B型為自動換刀刀柄，C、D型為手動換刀刀柄，E、F型為無鍵連接，適用于超高速切削用刀柄。 

                            圖2 KM 刀柄與主軸連接結(jié)構(gòu)  
KM刀柄  

KM刀柄是美國肯納(Kennametal)公司與德國懷迪爾(Widia，本站注：行業(yè)內(nèi)常譯為維迪亞)公司于1987年聯(lián)合開發(fā)出來的，與HSK刀柄并存的1:10短錐空心柄，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。KM刀柄首次提出了端面與錐面雙面定位原理。KM刀柄采用了1：10短錐配合，配合長度短，僅為標(biāo)準(zhǔn)7:04錐柄相近規(guī)格長度的1/3，部分解決了端面與錐面同時定位而產(chǎn)生的干涉問題。另一方面，KM刀柄與主軸錐孔間的配合過盈量較高，可達(dá)HSK刀柄結(jié)構(gòu)的2～5倍，其連接剛度比HSK刀柄還要高。同時，與其他類型的空心錐柄連接相比，相同法蘭外徑采用的錐柄直徑較小，因而主軸錐孔在高速旋轉(zhuǎn)時擴(kuò)張小，高速性能好。  

HSK刀柄和KM刀柄存在的問題  

由于采用雙面定位，造成刀柄在主軸內(nèi)孔產(chǎn)生過定位。要很好實(shí)現(xiàn)過定位，就要求刀柄錐面和法蘭盤端面自身有較高的形狀精度以及相互位置精度，這給刀柄的制造增加了難度。因而這種類型的刀柄制造成本較高，其價格通常是常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)7:24錐柄的1.5～2倍。  

它與傳統(tǒng)的主軸端部結(jié)構(gòu)和刀柄不兼容，不能直接用于傳統(tǒng)的機(jī)床，需對機(jī)床主軸端部進(jìn)行重新設(shè)計。當(dāng)然，目前國外許多機(jī)床廠家生產(chǎn)的高速機(jī)床其主軸端部直接按與中空短錐結(jié)構(gòu)刀柄結(jié)合設(shè)計。如2003年4月在北京舉行的第八屆中國國際機(jī)床展覽會上，幾乎所有的高速機(jī)床均采用了HSK刀柄。  

制造刀柄的材料要求較高。由于這種刀柄采用過定位，要求其受熱變形小而均勻，否則將會破壞原有的定位精度，且不易裝卸。 

BIG-PLUS刀柄  

對高速切削加工用刀柄的研究改型除了德國和美國外，日本一些公司也致力于對原7:24實(shí)心長錐柄進(jìn)行多種形式的改進(jìn)，以達(dá)到雙面定位，提高定位精度和剛度的目的，如日本NIKKEN公司的3LOCK SYSTEM錐柄，BIG DAISHOWA SEIKI公司的BIG-PLUS精密錐柄和圣和精機(jī)株式會社開發(fā)的SHOWA D-F-C刀柄等。這些刀柄都是在原標(biāo)準(zhǔn)7:24錐柄基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定改進(jìn)。  

BIG-PLUS刀柄的錐度仍然是7:24。其工作原理是：將刀柄裝入主軸錐孔鎖緊前，端面的間隙小。鎖緊后利用主軸內(nèi)孔的彈性膨脹補(bǔ)償端面間隙，使刀柄端面與主軸端面貼緊，從而增大其剛度。這種刀柄同樣采用了過定位，因而必須嚴(yán)格控制其形狀精度和位置精度，其制造工藝難度比HSK刀柄還要高。  

這種改進(jìn)型錐柄可與原7:24錐柄互換使用，可應(yīng)用于原主軸錐孔。但從適應(yīng)機(jī)床轉(zhuǎn)速進(jìn)一步高速化的發(fā)展要求，1:10短錐空心柄則更有發(fā)展前途。所以，更多的日本公司還是積極采用德國DIN標(biāo)準(zhǔn)的HSK刀柄，如NT工具公司、黑田精工、圣和精機(jī)、三菱金屬等先后引進(jìn)HSK生產(chǎn)技術(shù)。  

   綜上所述，高速切削加工用刀柄的發(fā)展趨勢是采用雙面過定位原理，提高刀柄系統(tǒng)的結(jié)合剛度。同時，解決好刀柄過定位帶來的相關(guān)問題，并不斷改善刀柄材料的性能。 

我國對高速切削刀具的研究 

   我國對高速切削技術(shù)的研究起步較晚。20世紀(jì)90年代初期，北京理工大學(xué)開始研究高速切削的基本理論和方法。與此同時，廣東工業(yè)大學(xué)、山東大學(xué)、成都工具研究所等高校及科研單位也開展了與高速切削相關(guān)技術(shù)的研究，如大功率高速主軸單元、高速切削刀具、陶瓷滾動軸承。但我國對高速切削技術(shù)研究的總體水平，與國外相比存在較大差距。在高速切削刀具技術(shù)方面，山東工業(yè)大學(xué)和成都工具研究所等單位作了許多工作，并取得了一定的成績。但迄今我國尚未自主研制開發(fā)出一種實(shí)用型高速切削刀具，以至在我國應(yīng)用高速切削加工技術(shù)的各企業(yè)，幾乎所有的高速切削刀具都要從國外進(jìn)口。例如，一汽大眾捷達(dá)、奧迪轎車發(fā)動機(jī)、傳動器零部件生產(chǎn)線上所使用的高速刀具均為進(jìn)口產(chǎn)品(來自49個外國公司)。由此可見，如何實(shí)現(xiàn)高速切削刀具系統(tǒng)的全面國產(chǎn)化、商品化，以降低工具成本費(fèi)用，是我國提高汽車及其他機(jī)電產(chǎn)品的國際競爭力的有力措施。  

   當(dāng)前，雖然國內(nèi)已有一些工具廠能仿造HSK刀柄，但在產(chǎn)品質(zhì)量上仍存在不少問題，如精度難以達(dá)到德國的DIN標(biāo)準(zhǔn)或ISO國際標(biāo)準(zhǔn)，刀柄材料熱變形較大，造成刀柄裝配精度低，而且不易裝卸等。因此，要實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的HSK刀柄或KM刀柄，除解決加工精度之外，解決好高速刀具刀柄材料也是一個十分緊迫的問題。