数控深腔加工刀柄自定心夹紧机构分析与应用

任成高， 申晓龙， 宋丽娜

（湖南工业职业技术学院， 湖南 长沙 410208）

0 引言

在高端装备制造领域， 随着数控加工中心设备的应用推广，数控加工中心刀具使用量也随之不断增加，数控加工中心机床上使用最多的主要工具附件是7：24 的工具锥柄。 目前，加工中心自动换刀常用的7：24 锥柄标准通常有：中国国标GB10944-89“自动换刀机床用7：24 圆锥工具柄部40、45、50 号圆锥柄； 德国标准DIN69871 的30、40、45、50、60 号圆锥工具锥柄；日本标准JISB6339 的30、35、40、45、50、55、60 号圆锥工具锥柄； 美国现行标准AMSEB5.50 的30、40、45、50、60 号圆锥工具锥柄[1]。

一般上述7：24 圆锥工具锥柄均需安装拉钉才能使用[2]，由于装备制造产业快速发展多年来，从许多先进国家引进大量不同型式的数控加工中心机床， 机床的工具锥柄型号和标准相差很大， 对数控中心深腔加工刀具夹持技术的选择使用带来一些问题和困难。

1 数控刀柄的技术要求

常用的BT/JT 系列的7：24 工具锥柄， 技术要求按照国际标准ISO7388、国家标准GB/T10944、日本JISB6339、德国DIN69871 标准， 满足30、35、40、45、50、60 号 的 标准。其中国家标准与国际标准、德国标准可以互换[3]。具体技术要求如下。

1.1 结构及关键尺寸

BT/JT 系列自动换刀刀柄和拉钉部分，对于中心内冷的刀柄，所有的拉钉采用通孔的形式。 对不同的刀柄，如弹簧夹头、钻夹头、镗刀、不同锥度（如2 号、3 号、4 号、5号）立铣刀，其结构需根据实际情况进行设计。

锥度部分与主轴端面过渡部分的尺寸为 （D1，D1+0.05mm）控制。D1 为测量平面上的基本直径。对特殊要求的刀柄，40 刀柄D3 最大尺寸为50mm，50 刀柄系列D3最大为80mm。 刀柄与拉钉连接部分的D2 的孔口倒角，可以用半径R1 的圆弧或30°倒角两种形式，但倒角端面的尺寸应控制在D4 以内[4-5]。 BT/JT50 系列精度按照（0，+0.051）控制，全部按照“+”控制，小端参考直径为40.158mm。

图1 BT/JT 系列刀柄

1.2 材料与热处理

一般采用SCM420 日本材料牌号， 对应国家标准GBT/3077，材料牌号为20Cr-Mo，材料的延伸率δ=12%，根据实际应用还可以采用材料和热处理方式进行特种非标刀柄的制造。

图2 BT 系列拉钉结构及尺寸

刀柄锥柄部分表面渗碳淬火或高频淬火，表面层深度0.8～1mm，表面硬度HRC52～HRC58。刀柄本体部分硬度要求HRC35～HRC45， 刀柄本体部分抗拉强度为1058～1440MPa；淬火部分抗拉强度σb＞1650MPa，σs＞1500MPa[6-7]。 拉钉本体部分要求硬度HRC35～45，表面渗碳淬火或高频淬火，表面层深度0.8～1mm，表面硬度HRC52～56。

1.3 表面处理与检测

圆锥部分、拉钉连接部分、形槽区域的表面粗糙度为Ra0.8，其余部分为Ra1.6，不超过3.2。7：24 圆锥表面不应有划痕、锈迹、磨削烧伤及裂纹等缺陷。

7：24 锥角检验可采用比较测量法，也可采用圆锥量规测量，具体按照GB/T11852 中的相关规定；柄部内螺纹按照6H 精度制造， 保证配用拉钉在最大实体条件时可顺利旋入；键槽槽底应该有过渡圆角，刀柄进行动平衡检测，动平衡量不大于6.3G[8]。

2 数控刀柄自定心夹紧机构的原理与计算

2.1 碟形弹簧片定心夹具的原理与计算

图3 所示为碟形弹簧片夹紧心轴的结构图。 图中心轴4 的锥柄连接机床主轴，工件5 通过心轴定位，旋转螺母1 从而将轴向夹紧力通过压紧套加在碟形弹簧片3上， 进而弹簧片径向胀大， 达到使工件定心并夹紧的目的， 碟形弹簧片其径向方向上的胀开量可达大约0.1～0.4mm，定心精度可达约为Φ0.01～Φ0.002mm[9]。

图3 碟形弹簧片夹紧心轴

碟形弹簧片工作时，当传递所需的转矩T，其所需要施加的轴向力Q（N）的计算是：

其中：T—所需传递的转矩 （Nm）；D—工件定位基准的直径（m）；f —装夹表面的摩擦系数；β—碟形弹簧片锥面半角（°）；K—安全系数。

2.2 碗形弹簧片定心夹具的原理与计算

图4（a）所示为碗形弹簧片定心装置的结构简图，它用于夹持工件的外圆。 拧紧螺钉1，使碗形弹簧片2 的中部向左变形，于是定位面d 缩小，将工件定心并夹紧。 这里的四个支柱3 用以对工件实现轴向定位。为增加弹性，在碗形弹簧片上开有许多交错排列的径向槽，见图4（b）。

图4 碗形弹簧片自定心夹具简图

用于工件以大直径内孔作为定位基准的碗形弹簧片定心装置，拧紧螺母，簧片的外圆胀大，使工件定心并夹紧。气动装置联用的碗形弹簧片定心装置，要靠弹簧使碗形弹簧片松开， 碗形弹簧片用螺钉和销子固定在夹具体上，在装配后磨削定位面。偏心杠杆机构操纵的碗形弹簧片定心装置，用于以外圆定心的工件[10-11]。 顺时针转动手柄，偏心轴推动杠杆向下摆动，拉杆下移，使碗形弹簧片变形，定位表面的内径缩小，将工件定心并夹紧。

2.3 薄壁波纹套定心夹具的原理与计算

薄壁波纹套自定心夹具简图见图5 所示， 其结构与工作原理表述是，图5（a）为松开状态，拧动旋转螺母1 通过压紧垫圈套3 使薄壁波纹套2 进行轴向压缩变形，同时套筒外径因变形从而尺寸增大， 进而促使工件得到精确定心并夹紧，如图5（b）所示。

图5 薄壁波纹套自定心夹具简图

此种定心夹具多用于如：齿轮、环、套筒等类零件的精加工。 其工作特点是夹紧力均匀、 定心精度高， 可达Φ0.01mm，一般可比较稳定在Φ0.02mm 以内。 并且由于其结构简单，使用寿命也较长（通常每装夹10000 次后，其定心精度只降低Φ0.01mm）[12]。 波纹套与轴的间隙取0.025～0.045mm，内径与端面的粗糙度为Ra0.32，端面圆跳动一般取3～4 级。波纹套的材料一般常采用T10A、65Mn等，热处理至48～52HRC。

3 数控深腔加工刀柄的分析与应用

3.1 模块化数控深腔镗铣刀柄

当前数控深腔加工中心用刀柄从整体结构上可以统分为整体式刀柄与模块化式刀柄，整体式刀柄的优点是刚性好，精度高。而模块化式刀柄具有灵活性强、可以自由组合；可以减少刀柄的种类与规格，从而减少库存等诸多优点。 总体来说，模块化式刀柄最关键的是取决于模块与模块之间的联结方式，模块化式刀柄联结方式的好坏主要取决于以下几个指标参数，即：刚性、精度、可操作性。

3.2 数控深腔镗铣高速刀柄的结构

目前，数控深腔高速加工刀具系统主要有：德国的HSK空心短锥柄、美国的KM 工具系统、日本的NC5 工具系统等。 这些工具系统各具特点， 部分优化了传统7：24 锥度BT 工具系统的问题。 在众多的数控深腔高速加工工具系统中， 通常一般地看HSK 工具系统具有允许转速高、回转定位精度好、动静刚度高等主要性能优点。 一般HSK工具系统有以下A 型～F 型六种不同的结构型式， 见图6。A～D 型是利用键槽传递扭矩的， 适用于中等转速加工的场合[13]。 E、F 型利用锥面与端面摩擦力传递扭矩，结构对称，适用于高速加工情形。

图6 HSK 高速工具刀柄结构

HSK 工具系统刀柄结构主要特点如下： ①定位精度高，刀柄壁薄，主轴和刀柄间采用较大径向过盈配合，在轴向端面上也增加了接触的定位； ②轴向端面和径向锥面采用过定位方式，满足静动态刚度高特点；③缩短主轴轴向尺寸，主轴与刀柄接触更可靠，此钟短锥面结构缩短主轴悬伸量，因而提高系统刚度；④刀柄尺寸小、重量轻、换刀迅速方便，空心薄壁结构能保证刀柄的可靠定位，满足了数控深腔高速加工的要求。

3.3 数控深腔加工刀柄的分析与应用

数控深腔高速加工过程中，在主轴、刀柄和刀具的高速旋转下， 由于只要有较小的不同轴或偏心就会产生很大的离心力，从而振动影响加工零件和产品质量问题，降低刀具和主轴使用寿命。 HSK 刀柄因采用主轴孔和刀柄过定位， 其重复定位精度可以达到相比传统锥度刀柄基础上提高到1μm。

根据数控深腔高速加工动平衡的标准规定， 主轴转速当达到8500r/min 以上时， 相应的进给速度须大于22m/min。 HSK 刀柄要达15000～35000r/min 以上，这样配置数控深腔高速加工切削时的夹持刀具系统就显得更加重要了，通常刀柄的选择原则，根据数控深腔高速加工夹持刀柄刀具的配置经验，一般应用选择如下：

（1）整体式刀柄，其结构特点是刀柄和刀体连结为一体， 在经过动平衡机测试及调整系统安装铣削刀片进行动平衡调节刀具后， 来满足数控深腔高速铣削零件加工的需要， 整体式刀柄尤其适合深腔模具数控加工的高速铣削[14]，经验表明其相应转速一般可达到15000～35000r/min 的范围内。

（2）液压式刀柄，相比整体式刀柄而言，具有结构对称性、回转精度较好，是高性能高精度的夹持刀柄，其相应的减振性和动平衡性能也很不错， 能有效地提高数控深腔高速铣削零件加工的刀具切削效率和使用寿命，液压式刀柄转速可以达到25000r/min 以上。

（3）热胀式刀柄，它是通过热胀式装置加热仪进行加热，然后利用热胀冷缩对刀具夹紧，由于其具有结构对称性好、回转精度高、相应的动平衡性能比较其他型式的刀柄要好，因而将有着非常广泛的应用前景，尤其适合深腔模具数控高速加工等装备制造行业精密零件的切削加工，热胀式装刀装置刀柄转速目前可达到45000r/min 以上。

同时需要说明的是，数控深腔高速加工切削时，应尽量避免采用强力精密弹簧夹头刀柄和侧固式刀柄。 主要原因是， 精密弹簧夹头刀柄和侧固式刀柄其转速由于本身结构的限制，一般难以达到20000r/min，精密弹簧夹头刀柄一般只可达到10000～14000 r/min， 而侧固式刀柄则连8000r/min 都很难达到，在数控深腔高速加工机床上应尽量少用。

4 结束语

数控高速深腔加工技术可获得特殊的加工精度和表面质量， 大型深腔加工刀具刀柄是高速数控加工中心机床的核心功能附件之一， 数控高速加工设备及刀具刀柄技术与对产品更高精度和更先进的工艺技术一样， 成为数控高速深腔加工制造最重要的因素。 汽车覆盖件冲压模具加工，注塑模具等等零件加工，现在广泛应用数控加工中心的高速加工方式。充分利用已有的机床设备，提高数控深腔加工刀柄夹头的装刀性能和装夹可靠性， 最大限度地提高其使用效率， 与加工普通零件一样来加工深腔模具，是刀具装夹应用发展的一个重要方向。

本文在加工中心机床数控刀柄的技术要求上， 结合BT/JT 系列自动换刀刀柄和拉钉部分， 分别从碟形弹簧片、碗形弹簧片、薄壁波纹套三种定心夹具机构分析数控刀柄自定心夹紧机构的原理与计算， 提供了部分经验公式和经验数据。同时从模块化数控深腔镗铣刀柄、数控深腔镗铣高速刀柄的结构基础上， 提出了数控深腔加工刀柄的分析与应用， 给出了数控高速深腔加工技术整体式刀柄、液压式刀柄、热胀式刀柄的选择方式。