高速機(jī)床主軸刀具聯(lián)結(jié)的設(shè)計(jì)

一、高速切削對刀/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(jī)構(gòu)質(zhì)心的偏離，從而影響主軸的動平衡。要保證這種聯(lián)結(jié)在高速下仍有可靠的接觸，需有一個很大的過盈量來抵消高速旋轉(zhuǎn)時主軸軸端的膨脹，如標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(shí)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。

                         圖1　在高速離心力作用下主軸擴(kuò)張圖

    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(jī)構(gòu)也需精密動平衡。但是，傳遞轉(zhuǎn)矩的鍵和鍵槽很容易破壞動平衡，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，因此配合面后段會有一定的間隙，該間隙會引起刀具徑向跳動，影響結(jié)構(gòu)的動平衡。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，錐體表面同時要起兩個重要的作用，即刀具相對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(dá)13μm，這個徑向間隙會導(dǎo)致刀尖的跳動和破壞結(jié)構(gòu)的動平衡，還會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，刀具會以前段接觸區(qū)為支點(diǎn)擺動。在切削力作用下，刀具在主軸內(nèi)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(jié)的剛度對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，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，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、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，錐體表面同時要起兩個重要的作用，即刀具相對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(dá)13μm，這個徑向間隙會導(dǎo)致刀尖的跳動和破壞結(jié)構(gòu)的動平衡，還會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，刀具會以前段接觸區(qū)為支點(diǎn)擺動。在切削力作用下，刀具在主軸內(nèi)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(jié)的剛度對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，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，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)。 

                           圖 2　HSK刀柄與主軸聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)

    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。