數(shù)控深腔加工刀柄自定心夾緊機構分析與應用

任成高， 申曉龍， 宋麗娜

（湖南工業(yè)職業(yè)技術學院， 湖南 長沙 410208）

0 引言

在高端裝備制造領域， 隨著數(shù)控加工中心設備的應用推廣，數(shù)控加工中心刀具使用量也隨之不斷增加，數(shù)控加工中心機床上使用最多的主要工具附件是7：24 的工具錐柄。 目前，加工中心自動換刀常用的7：24 錐柄標準通常有：中國國標GB10944-89“自動換刀機床用7：24 圓錐工具柄部40、45、50 號圓錐柄； 德國標準DIN69871 的30、40、45、50、60 號圓錐工具錐柄；日本標準JISB6339 的30、35、40、45、50、55、60 號圓錐工具錐柄； 美國現(xiàn)行標準AMSEB5.50 的30、40、45、50、60 號圓錐工具錐柄[1]。

一般上述7：24 圓錐工具錐柄均需安裝拉釘才能使用[2]，由于裝備制造產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展多年來，從許多先進國家引進大量不同型式的數(shù)控加工中心機床， 機床的工具錐柄型號和標準相差很大， 對數(shù)控中心深腔加工刀具夾持技術的選擇使用帶來一些問題和困難。

1 數(shù)控刀柄的技術要求

常用的BT/JT 系列的7：24 工具錐柄， 技術要求按照國際標準ISO7388、國家標準GB/T10944、日本JISB6339、德國DIN69871 標準， 滿足30、35、40、45、50、60 號 的 標準。其中國家標準與國際標準、德國標準可以互換[3]。具體技術要求如下。

1.1 結(jié)構及關鍵尺寸

BT/JT 系列自動換刀刀柄和拉釘部分，對于中心內(nèi)冷的刀柄，所有的拉釘采用通孔的形式。 對不同的刀柄，如彈簧夾頭、鉆夾頭、鏜刀、不同錐度（如2 號、3 號、4 號、5號）立銑刀，其結(jié)構需根據(jù)實際情況進行設計。

錐度部分與主軸端面過渡部分的尺寸為 （D1，D1+0.05mm）控制。D1 為測量平面上的基本直徑。對特殊要求的刀柄，40 刀柄D3 最大尺寸為50mm，50 刀柄系列D3最大為80mm。 刀柄與拉釘連接部分的D2 的孔口倒角，可以用半徑R1 的圓弧或30°倒角兩種形式，但倒角端面的尺寸應控制在D4 以內(nèi)[4-5]。 BT/JT50 系列精度按照（0，+0.051）控制，全部按照“+”控制，小端參考直徑為40.158mm。

圖1 BT/JT 系列刀柄

1.2 材料與熱處理

一般采用SCM420 日本材料牌號， 對應國家標準GBT/3077，材料牌號為20Cr-Mo，材料的延伸率δ=12%，根據(jù)實際應用還可以采用材料和熱處理方式進行特種非標刀柄的制造。

圖2 BT 系列拉釘結(jié)構及尺寸

刀柄錐柄部分表面滲碳淬火或高頻淬火，表面層深度0.8～1mm，表面硬度HRC52～HRC58。刀柄本體部分硬度要求HRC35～HRC45， 刀柄本體部分抗拉強度為1058～1440MPa；淬火部分抗拉強度σb＞1650MPa，σs＞1500MPa[6-7]。 拉釘本體部分要求硬度HRC35～45，表面滲碳淬火或高頻淬火，表面層深度0.8～1mm，表面硬度HRC52～56。

1.3 表面處理與檢測

圓錐部分、拉釘連接部分、形槽區(qū)域的表面粗糙度為Ra0.8，其余部分為Ra1.6，不超過3.2。7：24 圓錐表面不應有劃痕、銹跡、磨削燒傷及裂紋等缺陷。

7：24 錐角檢驗可采用比較測量法，也可采用圓錐量規(guī)測量，具體按照GB/T11852 中的相關規(guī)定；柄部內(nèi)螺紋按照6H 精度制造， 保證配用拉釘在最大實體條件時可順利旋入；鍵槽槽底應該有過渡圓角，刀柄進行動平衡檢測，動平衡量不大于6.3G[8]。

2 數(shù)控刀柄自定心夾緊機構的原理與計算

2.1 碟形彈簧片定心夾具的原理與計算

圖3 所示為碟形彈簧片夾緊心軸的結(jié)構圖。 圖中心軸4 的錐柄連接機床主軸，工件5 通過心軸定位，旋轉(zhuǎn)螺母1 從而將軸向夾緊力通過壓緊套加在碟形彈簧片3上， 進而彈簧片徑向脹大， 達到使工件定心并夾緊的目的， 碟形彈簧片其徑向方向上的脹開量可達大約0.1～0.4mm，定心精度可達約為Φ0.01～Φ0.002mm[9]。

圖3 碟形彈簧片夾緊心軸

碟形彈簧片工作時，當傳遞所需的轉(zhuǎn)矩T，其所需要施加的軸向力Q（N）的計算是：

其中：T—所需傳遞的轉(zhuǎn)矩 （Nm）；D—工件定位基準的直徑（m）；f —裝夾表面的摩擦系數(shù)；β—碟形彈簧片錐面半角（°）；K—安全系數(shù)。

2.2 碗形彈簧片定心夾具的原理與計算

圖4（a）所示為碗形彈簧片定心裝置的結(jié)構簡圖，它用于夾持工件的外圓。 擰緊螺釘1，使碗形彈簧片2 的中部向左變形，于是定位面d 縮小，將工件定心并夾緊。 這里的四個支柱3 用以對工件實現(xiàn)軸向定位。為增加彈性，在碗形彈簧片上開有許多交錯排列的徑向槽，見圖4（b）。

圖4 碗形彈簧片自定心夾具簡圖

用于工件以大直徑內(nèi)孔作為定位基準的碗形彈簧片定心裝置，擰緊螺母，簧片的外圓脹大，使工件定心并夾緊。氣動裝置聯(lián)用的碗形彈簧片定心裝置，要靠彈簧使碗形彈簧片松開， 碗形彈簧片用螺釘和銷子固定在夾具體上，在裝配后磨削定位面。偏心杠桿機構操縱的碗形彈簧片定心裝置，用于以外圓定心的工件[10-11]。 順時針轉(zhuǎn)動手柄，偏心軸推動杠桿向下擺動，拉桿下移，使碗形彈簧片變形，定位表面的內(nèi)徑縮小，將工件定心并夾緊。

2.3 薄壁波紋套定心夾具的原理與計算

薄壁波紋套自定心夾具簡圖見圖5 所示， 其結(jié)構與工作原理表述是，圖5（a）為松開狀態(tài)，擰動旋轉(zhuǎn)螺母1 通過壓緊墊圈套3 使薄壁波紋套2 進行軸向壓縮變形，同時套筒外徑因變形從而尺寸增大， 進而促使工件得到精確定心并夾緊，如圖5（b）所示。

圖5 薄壁波紋套自定心夾具簡圖

此種定心夾具多用于如：齒輪、環(huán)、套筒等類零件的精加工。 其工作特點是夾緊力均勻、 定心精度高， 可達Φ0.01mm，一般可比較穩(wěn)定在Φ0.02mm 以內(nèi)。 并且由于其結(jié)構簡單，使用壽命也較長（通常每裝夾10000 次后，其定心精度只降低Φ0.01mm）[12]。 波紋套與軸的間隙取0.025～0.045mm，內(nèi)徑與端面的粗糙度為Ra0.32，端面圓跳動一般取3～4 級。波紋套的材料一般常采用T10A、65Mn等，熱處理至48～52HRC。

3 數(shù)控深腔加工刀柄的分析與應用

3.1 模塊化數(shù)控深腔鏜銑刀柄

當前數(shù)控深腔加工中心用刀柄從整體結(jié)構上可以統(tǒng)分為整體式刀柄與模塊化式刀柄，整體式刀柄的優(yōu)點是剛性好，精度高。而模塊化式刀柄具有靈活性強、可以自由組合；可以減少刀柄的種類與規(guī)格，從而減少庫存等諸多優(yōu)點。 總體來說，模塊化式刀柄最關鍵的是取決于模塊與模塊之間的聯(lián)結(jié)方式，模塊化式刀柄聯(lián)結(jié)方式的好壞主要取決于以下幾個指標參數(shù)，即：剛性、精度、可操作性。

3.2 數(shù)控深腔鏜銑高速刀柄的結(jié)構

目前，數(shù)控深腔高速加工刀具系統(tǒng)主要有：德國的HSK空心短錐柄、美國的KM 工具系統(tǒng)、日本的NC5 工具系統(tǒng)等。 這些工具系統(tǒng)各具特點， 部分優(yōu)化了傳統(tǒng)7：24 錐度BT 工具系統(tǒng)的問題。 在眾多的數(shù)控深腔高速加工工具系統(tǒng)中， 通常一般地看HSK 工具系統(tǒng)具有允許轉(zhuǎn)速高、回轉(zhuǎn)定位精度好、動靜剛度高等主要性能優(yōu)點。 一般HSK工具系統(tǒng)有以下A 型～F 型六種不同的結(jié)構型式， 見圖6。A～D 型是利用鍵槽傳遞扭矩的， 適用于中等轉(zhuǎn)速加工的場合[13]。 E、F 型利用錐面與端面摩擦力傳遞扭矩，結(jié)構對稱，適用于高速加工情形。

圖6 HSK 高速工具刀柄結(jié)構

HSK 工具系統(tǒng)刀柄結(jié)構主要特點如下： ①定位精度高，刀柄壁薄，主軸和刀柄間采用較大徑向過盈配合，在軸向端面上也增加了接觸的定位； ②軸向端面和徑向錐面采用過定位方式，滿足靜動態(tài)剛度高特點；③縮短主軸軸向尺寸，主軸與刀柄接觸更可靠，此鐘短錐面結(jié)構縮短主軸懸伸量，因而提高系統(tǒng)剛度；④刀柄尺寸小、重量輕、換刀迅速方便，空心薄壁結(jié)構能保證刀柄的可靠定位，滿足了數(shù)控深腔高速加工的要求。

3.3 數(shù)控深腔加工刀柄的分析與應用

數(shù)控深腔高速加工過程中，在主軸、刀柄和刀具的高速旋轉(zhuǎn)下， 由于只要有較小的不同軸或偏心就會產(chǎn)生很大的離心力，從而振動影響加工零件和產(chǎn)品質(zhì)量問題，降低刀具和主軸使用壽命。 HSK 刀柄因采用主軸孔和刀柄過定位， 其重復定位精度可以達到相比傳統(tǒng)錐度刀柄基礎上提高到1μm。

根據(jù)數(shù)控深腔高速加工動平衡的標準規(guī)定， 主軸轉(zhuǎn)速當達到8500r/min 以上時， 相應的進給速度須大于22m/min。 HSK 刀柄要達15000～35000r/min 以上，這樣配置數(shù)控深腔高速加工切削時的夾持刀具系統(tǒng)就顯得更加重要了，通常刀柄的選擇原則，根據(jù)數(shù)控深腔高速加工夾持刀柄刀具的配置經(jīng)驗，一般應用選擇如下：

（1）整體式刀柄，其結(jié)構特點是刀柄和刀體連結(jié)為一體， 在經(jīng)過動平衡機測試及調(diào)整系統(tǒng)安裝銑削刀片進行動平衡調(diào)節(jié)刀具后， 來滿足數(shù)控深腔高速銑削零件加工的需要， 整體式刀柄尤其適合深腔模具數(shù)控加工的高速銑削[14]，經(jīng)驗表明其相應轉(zhuǎn)速一般可達到15000～35000r/min 的范圍內(nèi)。

（2）液壓式刀柄，相比整體式刀柄而言，具有結(jié)構對稱性、回轉(zhuǎn)精度較好，是高性能高精度的夾持刀柄，其相應的減振性和動平衡性能也很不錯， 能有效地提高數(shù)控深腔高速銑削零件加工的刀具切削效率和使用壽命，液壓式刀柄轉(zhuǎn)速可以達到25000r/min 以上。

（3）熱脹式刀柄，它是通過熱脹式裝置加熱儀進行加熱，然后利用熱脹冷縮對刀具夾緊，由于其具有結(jié)構對稱性好、回轉(zhuǎn)精度高、相應的動平衡性能比較其他型式的刀柄要好，因而將有著非常廣泛的應用前景，尤其適合深腔模具數(shù)控高速加工等裝備制造行業(yè)精密零件的切削加工，熱脹式裝刀裝置刀柄轉(zhuǎn)速目前可達到45000r/min 以上。

同時需要說明的是，數(shù)控深腔高速加工切削時，應盡量避免采用強力精密彈簧夾頭刀柄和側(cè)固式刀柄。 主要原因是， 精密彈簧夾頭刀柄和側(cè)固式刀柄其轉(zhuǎn)速由于本身結(jié)構的限制，一般難以達到20000r/min，精密彈簧夾頭刀柄一般只可達到10000～14000 r/min， 而側(cè)固式刀柄則連8000r/min 都很難達到，在數(shù)控深腔高速加工機床上應盡量少用。

4 結(jié)束語

數(shù)控高速深腔加工技術可獲得特殊的加工精度和表面質(zhì)量， 大型深腔加工刀具刀柄是高速數(shù)控加工中心機床的核心功能附件之一， 數(shù)控高速加工設備及刀具刀柄技術與對產(chǎn)品更高精度和更先進的工藝技術一樣， 成為數(shù)控高速深腔加工制造最重要的因素。 汽車覆蓋件沖壓模具加工，注塑模具等等零件加工，現(xiàn)在廣泛應用數(shù)控加工中心的高速加工方式。充分利用已有的機床設備，提高數(shù)控深腔加工刀柄夾頭的裝刀性能和裝夾可靠性， 最大限度地提高其使用效率， 與加工普通零件一樣來加工深腔模具，是刀具裝夾應用發(fā)展的一個重要方向。

本文在加工中心機床數(shù)控刀柄的技術要求上， 結(jié)合BT/JT 系列自動換刀刀柄和拉釘部分， 分別從碟形彈簧片、碗形彈簧片、薄壁波紋套三種定心夾具機構分析數(shù)控刀柄自定心夾緊機構的原理與計算， 提供了部分經(jīng)驗公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)。同時從模塊化數(shù)控深腔鏜銑刀柄、數(shù)控深腔鏜銑高速刀柄的結(jié)構基礎上， 提出了數(shù)控深腔加工刀柄的分析與應用， 給出了數(shù)控高速深腔加工技術整體式刀柄、液壓式刀柄、熱脹式刀柄的選擇方式。