高速机床主轴刀具联结的设计

一、高速切削对刀/轴联结要求

    高速加工要求确保高速下主轴与刀具联结状态不能发生变化。但是，高速主轴的前端锥孔由于离心力的作用会膨胀，膨胀量的大小随着旋转半径与转速的增大而增大，标准的7/24实心刀柄膨胀量较小，因此标准锥度联结的刚度会下降，在拉杆拉力的作用下，刀具的轴向位置会发生改变(见图1)。主轴的膨胀还会引起刀具及夹紧机构质心的偏离，从而影响主轴的动平衡。要保证这种联结在高速下仍有可靠的接触，需有一个很大的过盈量来抵消高速旋转时主轴轴端的膨胀，如标准40号锥需初始过盈量为15～20μm，再加上消除锥度配合公差带的过盈量(AT4级锥度公差带达13μm)，因此这个过盈量很大。这样大的过盈量需拉杆产生很大的拉力，拉杆产生这样大的拉力一般很难实现，对换刀也非常不利，还会使主轴端部膨胀，对主轴前轴承有不良影响。

                         图1　在高速离心力作用下主轴扩张图

    高速加工对动平衡要求非常高，不仅要求主轴组件需精密动平衡(G0.4级以上)，而且刀具及装夹机构也需精密动平衡。但是，传递转矩的键和键槽很容易破坏动平衡，而且，标准的7/24锥柄较长，很难实现全长无间隙配合，一般只要求配合面前段70%以上接触，因此配合面后段会有一定的间隙，该间隙会引起刀具径向跳动，影响结构的动平衡。键是用来传递转矩和进行角向定位的，为解决键及键槽引起的动平衡问题，可以尝试研究一种刀/轴联结实现在配合处产生很大的摩擦力以传递转矩，并用在刀柄上作标记的方法实现安装的角向定位，达到取消键的目的。 

    二、标准7/24锥联结的优缺点

    标准的7/24锥联结有许多优点：因不自锁，可实现快速装卸刀具；刀柄的锥体在拉杆轴向拉力的作用下，紧紧地与主轴的内锥面接触，实心的锥体直接在主轴内锥孔内支承刀具，可以减小刀具的悬伸量；这种联结只有一个尺寸即锥角需加工到很高的精度，所以成本较低而且可靠，多年来应用非常广泛。

    但是，7/24联结也有一些缺点；锥度较大，锥柄较长，锥体表面同时要起两个重要的作用，即刀具相对于主轴的精确定位及实现刀具夹紧并提供足够的联结刚度。由于它不能实现与主轴端面和内锥面同时定位，所以标准的7/24刀/轴锥联结在主轴端面和刀柄法兰端面间有较大的间隙。在ISO标准规定7/24锥度配合中，主轴内锥孔的角度偏差为“－”，刀柄锥体的角度偏差为“＋”，以保证配合的前段接触，所以它的径向定位精度往往不够，在配合的后段还会产生间隙，如典型的AT4级(ISO1947，GB11334-89)锥度规定角度的公差值为13″，这就意味着配合后段的最大径向间隙高达13μm，这个径向间隙会导致刀尖的跳动和破坏结构的动平衡，还会形成以接触前端为支点的条件，当刀具所受的弯矩超过拉杆轴向拉力产生的摩擦力矩时，刀具会以前段接触区为支点摆动。在切削力作用下，刀具在主轴内锥孔的这种摆动，会加速主轴锥孔前段的磨损，形成喇叭口，引起刀具轴向定位误差。

    7/24锥度联结的刚度对锥角的变化和轴向拉力的变化很敏感。当拉力增大4～8倍时，联结的刚度可提高20%～50%，但是，过大的拉力在频繁的换刀过程中会加速主轴内孔的磨损，使主轴内孔膨胀，影响主轴前轴承的寿命。

    另外，如前所述，这种实心刀柄的锥联结在高速旋转时，主轴端部扩张量大于锥柄的扩张量，高速性能差，不适合超高速主轴与刀具的联结。 

   三、标准7/24锥联结的优缺点

    标准的7/24锥联结有许多优点：因不自锁，可实现快速装卸刀具；刀柄的锥体在拉杆轴向拉力的作用下，紧紧地与主轴的内锥面接触，实心的锥体直接在主轴内锥孔内支承刀具，可以减小刀具的悬伸量；这种联结只有一个尺寸即锥角需加工到很高的精度，所以成本较低而且可靠，多年来应用非常广泛。

    但是，7/24联结也有一些缺点；锥度较大，锥柄较长，锥体表面同时要起两个重要的作用，即刀具相对于主轴的精确定位及实现刀具夹紧并提供足够的联结刚度。由于它不能实现与主轴端面和内锥面同时定位，所以标准的7/24刀/轴锥联结在主轴端面和刀柄法兰端面间有较大的间隙。在ISO标准规定7/24锥度配合中，主轴内锥孔的角度偏差为“－”，刀柄锥体的角度偏差为“＋”，以保证配合的前段接触，所以它的径向定位精度往往不够，在配合的后段还会产生间隙，如典型的AT4级(ISO1947，GB11334-89)锥度规定角度的公差值为13″，这就意味着配合后段的最大径向间隙高达13μm，这个径向间隙会导致刀尖的跳动和破坏结构的动平衡，还会形成以接触前端为支点的条件，当刀具所受的弯矩超过拉杆轴向拉力产生的摩擦力矩时，刀具会以前段接触区为支点摆动。在切削力作用下，刀具在主轴内锥孔的这种摆动，会加速主轴锥孔前段的磨损，形成喇叭口，引起刀具轴向定位误差。

    7/24锥度联结的刚度对锥角的变化和轴向拉力的变化很敏感。当拉力增大4～8倍时，联结的刚度可提高20%～50%，但是，过大的拉力在频繁的换刀过程中会加速主轴内孔的磨损，使主轴内孔膨胀，影响主轴前轴承的寿命。

    另外，如前所述，这种实心刀柄的锥联结在高速旋转时，主轴端部扩张量大于锥柄的扩张量，高速性能差，不适合超高速主轴与刀具的联结。 

                           图 2　HSK刀柄与主轴联结结构

    HSK也有缺点：它与现在的主轴端面结构和刀柄不兼容；制造精度要求较高，结构复杂，成本较高(刀柄的价格是普通标准7/24刀柄的1.5～2倍)；锥度配合过盈量较小(是KM结构的1/5～1/2)，极限转速比KM结构低。