高速機床加工主軸與刀具的聯(lián)結(jié)設(shè)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(zhì)量。與高速切削有關(guān)的主要問題有：刀具材料及設(shè)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(jié)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(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，標準的7/24實心刀柄膨脹量較小，因此標準錐度聯(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(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(jié)構(gòu)的動平衡。鍵是用來傳遞轉(zhuǎn)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(jié)實現(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(jié)的優(yōu)缺點

標準的7/24錐聯(lián)結(jié)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(nèi)錐面接觸，實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；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(jié)剛度。由于它不能實現(xiàn)與主軸端面和內(nèi)錐面同時定位，所以標準的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標準規(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13µm，這個徑向間隙會導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(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，這種實心刀柄的錐聯(lián)結(jié)在高速旋轉(zhuǎn)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(jié)。

三、典型高速主軸/刀具聯(lián)結(jié)設(shè)計

在高速主軸設(shè)計中，目前對刀軸聯(lián)結(jié)研究較成功的設(shè)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(shè)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(shè)計，這種設(shè)計可實現(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。

替代型的設(shè)計

“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量很小(5～10mm)。但對聯(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，換刀時要使兩部分齒形精確嚙合需較長調(diào)整時間，影響換刀速度。

andvik公司的三棱錐結(jié)構(gòu)(本站注：該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。實現(xiàn)了錐面與端面同時接觸定位，三棱結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(shè)計成中空的結(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(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(shè)計，與傳統(tǒng)的7/24錐聯(lián)結(jié)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(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(jié)構(gòu)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(jié)結(jié)構(gòu)，已被DIN標準化。HSK短錐刀柄采用1∶10的錐度，它的設(shè)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(jié)構(gòu)，錐度配合的過盈量較小，對刀柄和主軸端部關(guān)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(yīng)結(jié)合面緊密接觸，具有很高的聯(lián)結(jié)精度和剛度。當主軸高速旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速對聯(lián)結(jié)剛度影響小。拉桿通過楔形結(jié)構(gòu)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(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準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。

改進型的設(shè)計

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，同時又能與現(xiàn)存的主軸端部和刀柄兼容為出發(fā)點設(shè)計出來的。

錐面與端面同時接觸定位的WSU-1：這種設(shè)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(nèi)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(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(jié)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(zhuǎn)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(jié)可傳遞的轉(zhuǎn)矩高達360N·m，大于常規(guī)銑削所需的轉(zhuǎn)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(fù)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(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)實現(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，允許使用標準的7/24刀柄，不同的是，這種結(jié)構(gòu)的專用刀柄中設(shè)計有一個內(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，實現(xiàn)刀柄與主軸的端面接觸定位。它的缺點是刀柄的結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)：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(chǔ)上設(shè)計出的一種方案。如圖4所示，刀柄的結(jié)構(gòu)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(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(jié)出現(xiàn)的靜態(tài)問題。

這種方案較好地解決了標準聯(lián)結(jié)的靜態(tài)問題，對標準7/24錐聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)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(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

從以上對現(xiàn)行的標準刀/軸聯(lián)結(jié)和各種改進方案分析可知，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)對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行改進，消除聯(lián)結(jié)時聯(lián)結(jié)面間隙，改善標準聯(lián)結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，實現(xiàn)錐-面同時接觸定位；(4)增大配合預(yù)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(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)和美國的KM、WSU-1結(jié)構(gòu)值得借鑒。