浅谈高速切削刀具装夹系统的发展

李丹

摘要：高速切削刀具装夹系统，是高速切削加工的重要技术。本文探讨了刀具装夹系统的刀柄技术、刀具夹头技术、刀具动平衡技术的特点及应用，并对高速加工的发展进行描述。

关键字：高速切削；刀具-机床接口；刀具装夹夹头；刀具动平衡

一、引言

高速切削是指比常规切削速度高出数倍的速度下进行切削。近年，由于其高效、优质、低耗在航天、模具、电子等行业得到广泛的应用。

高速切削是一项系统技术，对机床的结构、轴承技术、刀具装夹系统、动平衡技术、高速冷却系统都有更高的要求。本文仅高速切削中的刀具装夹系统技术的现状和发展做分析。

高速切削装夹系统主要涉及三项技术：刀具-机床接口、刀具夹头形式、刀具动平衡。

二、刀具-机床接口（刀柄）技术

传统BT （7：24锥度）刀柄特点是实心长轴， 当主轴的转速达到每分钟数万转，在离心力的作用下，锥柄不能胀大，使刀柄与主轴锥孔间出现明显的间隙，导致BT工具系统轴向精度下降。

现在高速切削使用刀柄特点是空心、短轴（与7：24锥柄相比，重量减少50%，长度约为7：24锥柄的1/3），且在主轴锥面和端面采用两面约束过定位夹持系统。具有重复定位精度高，动静刚度高、换刀时间短的优点。具有代表的有德国的HSK （德文Hohl Shaft Kegel缩写）刀具系统、美国的KM刀具系统、日本的NC5刀具系统等。

（一）、HSK刀柄

HSK刀柄已列为德国DIN69893标准，锥度1：10，锥体尾部有端面键槽传递扭矩，夹紧机构夹爪钩抓住刀柄内孔30?錐面，夹紧时薄壁锥体产生弹性变形，使锥体和端面同时靠紧。

图1 HSK的双重定位结构

（二）、KM刀柄

KM刀柄与HSK相似，锥度1：10，锥体尾部有端面键槽传递扭矩，但夹紧机构不同。KM刀柄的拉杆上有两个对称的圆弧凹槽，夹紧刀柄时，钢球沿凹槽的斜面推出，卡在刀柄的锁紧斜面上薄壁锥面产生弹性变形，使刀柄端面与主轴端面贴紧。

KM特点的最高转速课达50000r/min，重复定位精度在0.002mm以内，动静刚度比HSK高，但强度略差。

图2 KM刀柄的结构

（三）、NC5刀柄

NC5刀柄定位原理与上述系统相同。不同是把1：10的锥柄分成锥套和圆柱柄两个部分套在一起，锥套端面有碟形弹簧，锥柄尾端有螺钉孔。刀柄夹紧时，锥套产生弹性变形，并压紧弹簧。刀柄尾部没有传递扭矩的键槽，轴向尺寸比HSK刀柄短。孔壁较厚，强度高，可满足重切削的需要。

图 3 NC5刀柄结构图

三、刀具装夹夹头：

使用较为广泛的刀具夹头有：

（一）、三棱变形静压夹头（应力锁紧式刀具夹头）

图4 三棱变形静压夹头原理

该夹头的内孔（见图4）在自由状态下为三棱形，三棱的内切圆直径小于要装夹的刀柄直径。利用一个液压加力装置，对夹头施加外力，使夹头变形，内孔变为圆孔，孔径略大于刀柄直径。此时插入刀柄，然后卸掉所加外力，内孔重新收缩程三棱形，对刀柄实现三点加紧。这种夹头结构紧凑，对称性好，精度高，装卸简单，对不同膨胀系数的硬质合金刀柄和高速钢刀柄均适用，

（二）、热装式夹头

利用热感应装置，使刀柄的夹持部分在短时间内加热，刀柄内径随之扩张，此时立即将刀具装入刀柄内，刀柄冷却收缩时即可赋予刀具夹持面均匀的压力。热装夹头使用一种reshuffle的金属材料，其线膨胀系数远大于一般的金属材料，在300°C左右，膨胀量足以满足刀具的装卸。Thermo grip工具系统采用高能场的感应加热线圈， 10s以内即可将刀柄夹持部分加热。配套一种冷却衬套，可直接与被加热的Thermo grip夹头外圆接触，将热量尽快传至冷却棱条上，棱条有较高的强制冷却的作用，可保证60 s内是刀柄温度降至安全使用的程度，每分钟更换三四把刀具。

（三）、高精度弹簧夹头

高精度弹簧夹头的夹持精度可大1～3μm。螺母分为内外两个部分，在螺母中设有轴承，在锁紧时，螺母不会在夹套上摩擦，也不会给夹套加扭力。确保把持精度和把持力，延长夹套及螺母的寿命。

四、刀具动平衡

由于刀体里存在缺陷，或刀具设计不对称，或刀具进行过新的调节，都有可能引起刀具系统的不平衡。高速旋转的刀柄如果不平衡量太大，会引起主轴及其部件的额外振动和刀具的不规则磨损，缩短刀具寿命，降低零件的加工质量

高速切削刀具系统的动平衡措施有：装平衡环、内装动平衡机构的刀柄（通过调整补偿环移动内部配重的位置以补偿不平衡量）、增加材料或去除材料。

五、发展方向

高速切削刀具装夹系统的发展趋势：1）加紧精度高，在悬伸3D（D-机床主轴前轴颈的直径）处的定位精度≤3?m，加工精度高；2）传递转矩大，能适应高效切削的需要3） 结构对称性好，有利于刀具的平衡；4）外形尺寸小，可加大的刀具悬伸量 ，扩大加工范围。

参考文献：

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