高速機(jī)床主軸與刀具的聯(lián)結(jié)
發(fā)布日期:2012-10-26 蘭生客服中心 瀏覽:5002
高速加工具有比普通加工大5~10倍的切削速度,其優(yōu)點(diǎn)是能減少加工時(shí)間,達(dá)到普通加工需要幾道工序才能達(dá)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(jì)、高速機(jī)床主軸的動(dòng)平衡、機(jī)床的熱態(tài)動(dòng)態(tài)性能及可靠性等。而刀具與主軸的聯(lián)結(jié)問題會(huì)嚴(yán)重影響高速切削的可靠性及機(jī)床主軸的動(dòng)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(duì)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(huì)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(biāo)準(zhǔn)的7/24實(shí)心刀柄膨脹量較小,因此標(biāo)準(zhǔn)錐度聯(lián)結(jié)的剛度會(huì)下降,在拉桿拉力的作用下,刀具的軸向位置會(huì)發(fā)生改變。主軸的膨脹還會(huì)引起刀具及夾緊機(jī)構(gòu)質(zhì)心的偏離,從而影響主軸的動(dòng)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(gè)很大的過盈量來抵消高速旋轉(zhuǎn)時(shí)主軸軸端的膨脹,如標(biāo)準(zhǔn)40號(hào)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(jí)錐度公差帶達(dá)13μm),因此這個(gè)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(shí)現(xiàn),對(duì)換刀也非常不利,還會(huì)使主軸端部膨脹,對(duì)主軸前軸承有不良影響。
高速加工對(duì)動(dòng)平衡要求非常高,不僅要求主軸組件需精密動(dòng)平衡(G0.4級(jí)以上),而且刀具及裝夾機(jī)構(gòu)也需精密動(dòng)平衡。但是,傳遞轉(zhuǎn)矩的鍵和鍵槽很容易破壞動(dòng)平衡,而且,標(biāo)準(zhǔn)的7/24錐柄較長(zhǎng),很難實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)無(wú)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(huì)有一定的間隙,該間隙會(huì)引起刀具徑向跳動(dòng),影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)平衡。鍵是用來傳遞轉(zhuǎn)矩和進(jìn)行角向定位的,為解決鍵及鍵槽引起的動(dòng)平衡問題,可以嘗試研究一種刀/軸聯(lián)結(jié)實(shí)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(biāo)記的方法實(shí)現(xiàn)安裝的角向定位,達(dá)到取消鍵的目的。
二、標(biāo)準(zhǔn)7/24錐聯(lián)結(jié)的優(yōu)缺點(diǎn)
標(biāo)準(zhǔn)的7/24錐聯(lián)結(jié)有許多優(yōu)點(diǎn):因不自鎖,可實(shí)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(shí)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(gè)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(diǎn);錐度較大,錐柄較長(zhǎng),錐體表面同時(shí)要起兩個(gè)重要的作用,即刀具相對(duì)于主軸的精確定位及實(shí)現(xiàn)刀具夾緊并提供足夠的聯(lián)結(jié)剛度。由于它不能實(shí)現(xiàn)與主軸端面和內(nèi)錐面同時(shí)定位,所以標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(huì)產(chǎn)生間隙,如典型的AT4級(jí)(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(dá)13μm,這個(gè)徑向間隙會(huì)導(dǎo)致刀尖的跳動(dòng)和破壞結(jié)構(gòu)的動(dòng)平衡,還會(huì)形成以接觸前端為支點(diǎn)的條件,當(dāng)?shù)毒咚艿膹澗爻^拉桿軸向拉力產(chǎn)生的摩擦力矩時(shí),刀具會(huì)以前段接觸區(qū)為支點(diǎn)擺動(dòng)。在切削力作用下,刀具在主軸內(nèi)錐孔的這種擺動(dòng),會(huì)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(duì)錐角的變化和軸向拉力的變化很敏感。當(dāng)拉力增大4~8倍時(shí),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(huì)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(shí)心刀柄的錐聯(lián)結(jié)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí),主軸端部擴(kuò)張量大于錐柄的擴(kuò)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(jì)
在高速主軸設(shè)計(jì)中,目前對(duì)刀軸聯(lián)結(jié)研究較成功的設(shè)計(jì)主要兩大類型,一是摒棄原有的7/24標(biāo)準(zhǔn)錐度而采用新思路的替代性設(shè)計(jì),如德國(guó)的HSK系列和美國(guó)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(jìn)行改進(jìn)性設(shè)計(jì),這種設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有主軸結(jié)構(gòu)向高速化的過渡,如美國(guó)的WSU系列刀 柄。
1.替代型的設(shè)計(jì)
“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(dòng)量很小(5~10mm)。但對(duì)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(jì),換刀時(shí)要使兩部分齒形精確嚙合需較長(zhǎng)調(diào)整時(shí)間,影響換刀速度。
Sandvik公司的三棱錐結(jié)構(gòu):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(shí)現(xiàn)了錐面與端面同時(shí)接觸定位,三棱結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩傳遞,不再需要傳動(dòng)鍵,消除了因傳動(dòng)鍵和鍵槽引起的動(dòng)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(huì)自鎖。
KM系列:采用1/10短錐配合,錐柄的長(zhǎng)度僅為標(biāo)準(zhǔn)7/24錐柄長(zhǎng)度的1/3,由于配合錐度較短,部分解決了端面與錐面同時(shí)定位而產(chǎn)生的干涉問題,刀柄設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)端面與錐面同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的7/24長(zhǎng)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(shí)的擴(kuò)張小,高速性能好。這種系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是,主軸端部需重新設(shè)計(jì),與傳統(tǒng)的7/24錐聯(lián)結(jié)不兼容;短錐的自鎖會(huì)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(shí)現(xiàn),這樣增加了刀具的懸伸量,對(duì)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(shí)現(xiàn)的,主軸的膨脹會(huì)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(guó)阿亨大學(xué)機(jī)床研究室(WZL)專為高速機(jī)床主軸開發(fā)的一種刀軸聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu),已被DIN標(biāo)準(zhǔn)化。HSK短錐刀柄采用1∶10的錐度,它的設(shè)計(jì)近似于KM系列,它的錐體比標(biāo)準(zhǔn)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(duì)刀柄和主軸端部關(guān)鍵尺寸的公差帶特別嚴(yán)格,由于短錐嚴(yán)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(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí),盡管主軸端會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)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(duì)聯(lián)結(jié)剛度影響小。拉桿通過楔形結(jié)構(gòu)對(duì)刀柄施加軸向力。
HSK也有缺點(diǎn):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(jià)格是普通標(biāo)準(zhǔn)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。
2.改進(jìn)型的設(shè)計(jì)
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(shí)又能與現(xiàn)存的主軸端部和刀柄兼容為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)出來的。
錐面與端面同時(shí)接觸定位的WSU-1:這種設(shè)計(jì)利用了“虛擬錐度”的概念,即以離散的點(diǎn)或線形成一個(gè)錐面,與主軸內(nèi)錐孔面接觸(見圖3)。實(shí)現(xiàn)這些點(diǎn)線接觸的元件是彈性的,因此,當(dāng)拉桿軸向拉力使刀柄與主軸端面定位接觸時(shí),只會(huì)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(huì)使主軸膨脹,對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(yán)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(diǎn)有:實(shí)現(xiàn)了端面與錐面的同時(shí)接觸定位,剛度和高速性能好,主軸不會(huì)膨脹,對(duì)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(dòng);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(dòng)鍵的作用,可取消鍵,具有良好的動(dòng)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(hào)錐聯(lián)結(jié)可傳遞的轉(zhuǎn)矩高達(dá)360N。m,大于常規(guī)銑削所需的轉(zhuǎn)矩,可取消傳動(dòng)鍵。
其主要的缺點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生永久變形,出現(xiàn)壓痕,對(duì)重復(fù)定位精度會(huì)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。
Kemet公司的ABSC結(jié)構(gòu):該結(jié)構(gòu)實(shí)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)的7/24刀柄,不同的是,這種結(jié)構(gòu)的專用刀柄中設(shè)計(jì)有一個(gè)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(shí)現(xiàn)刀柄與主軸的端面接觸定位。它的缺點(diǎn)是刀柄的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高,而且會(huì)使主軸端部膨脹,影響主軸前軸承工作。
改進(jìn)錐配合的WSU-2結(jié)構(gòu):對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的7/24錐配合分析可知,它的主要缺點(diǎn)是配合區(qū)特別是配合的后段會(huì)出現(xiàn)間隙,引起剛度下降,磨損加劇和跳動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)錐柄基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的一種方案。如圖4所示,刀柄的結(jié)構(gòu)完全與7/24標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí),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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)的靜態(tài)問題,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)7/24錐聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)改動(dòng)小,但同軸凹槽的加工精度要求較高,高速時(shí)標(biāo)準(zhǔn)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)。
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