高速機床主軸刀具聯(lián)結的設計

發(fā)布日期:2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽:3534

一、高速切削對刀/軸聯(lián)結要求


    高速加工要求確保高速下主軸與刀具聯(lián)結狀態(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膨脹,膨脹量的大小隨著旋轉半徑與轉速的增大而增大,標準的7/24實心刀柄膨脹量較小,因此標準錐度聯(lián)結的剛度會下降,在拉桿拉力的作用下,刀具的軸向位置會發(fā)生改變(見圖1)。主軸的膨脹還會引起刀具及夾緊機構質心的偏離,從而影響主軸的動平衡。要保證這種聯(lián)結在高速下仍有可靠的接觸,需有一個很大的過盈量來抵消高速旋轉時主軸軸端的膨脹,如標準40號錐需初始過盈量為15~20μm,再加上消除錐度配合公差帶的過盈量(AT4級錐度公差帶達13μm),因此這個過盈量很大。這樣大的過盈量需拉桿產生很大的拉力,拉桿產生這樣大的拉力一般很難實現(xiàn),對換刀也非常不利,還會使主軸端部膨脹,對主軸前軸承有不良影響。



                         圖1 在高速離心力作用下主軸擴張圖


    高速加工對動平衡要求非常高,不僅要求主軸組件需精密動平衡(G0.4級以上),而且刀具及裝夾機構也需精密動平衡。但是,傳遞轉矩的鍵和鍵槽很容易破壞動平衡,而且,標準的7/24錐柄較長,很難實現(xiàn)全長無間隙配合,一般只要求配合面前段70%以上接觸,因此配合面后段會有一定的間隙,該間隙會引起刀具徑向跳動,影響結構的動平衡。鍵是用來傳遞轉矩和進行角向定位的,為解決鍵及鍵槽引起的動平衡問題,可以嘗試研究一種刀/軸聯(lián)結實現(xiàn)在配合處產生很大的摩擦力以傳遞轉矩,并用在刀柄上作標記的方法實現(xiàn)安裝的角向定位,達到取消鍵的目的。 


    二、標準7/24錐聯(lián)結的優(yōu)缺點


    標準的7/24錐聯(lián)結有許多優(yōu)點:因不自鎖,可實現(xiàn)快速裝卸刀具;刀柄的錐體在拉桿軸向拉力的作用下,緊緊地與主軸的內錐面接觸,實心的錐體直接在主軸內錐孔內支承刀具,可以減小刀具的懸伸量;這種聯(lián)結只有一個尺寸即錐角需加工到很高的精度,所以成本較低而且可靠,多年來應用非常廣泛。


    但是,7/24聯(lián)結也有一些缺點;錐度較大,錐柄較長,錐體表面同時要起兩個重要的作用,即刀具相對于主軸的精確定位及實現(xiàn)刀具夾緊并提供足夠的聯(lián)結剛度。由于它不能實現(xiàn)與主軸端面和內錐面同時定位,所以標準的7/24刀/軸錐聯(lián)結在主軸端面和刀柄法蘭端面間有較大的間隙。在ISO標準規(guī)定7/24錐度配合中,主軸內錐孔的角度偏差為“-”,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,在配合的后段還會產生間隙,如典型的AT4級(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13μm,這個徑向間隙會導致刀尖的跳動和破壞結構的動平衡,還會形成以接觸前端為支點的條件,當刀具所受的彎矩超過拉桿軸向拉力產生的摩擦力矩時,刀具會以前段接觸區(qū)為支點擺動。在切削力作用下,刀具在主軸內錐孔的這種擺動,會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)結的剛度對錐角的變化和軸向拉力的變化很敏感。當拉力增大4~8倍時,聯(lián)結的剛度可提高20%~50%,但是,過大的拉力在頻繁的換刀過程中會加速主軸內孔的磨損,使主軸內孔膨脹,影響主軸前軸承的壽命。

    另外,如前所述,這種實心刀柄的錐聯(lián)結在高速旋轉時,主軸端部擴張量大于錐柄的擴張量,高速性能差,不適合超高速主軸與刀具的聯(lián)結。 


   三、標準7/24錐聯(lián)結的優(yōu)缺點


    標準的7/24錐聯(lián)結有許多優(yōu)點:因不自鎖,可實現(xiàn)快速裝卸刀具;刀柄的錐體在拉桿軸向拉力的作用下,緊緊地與主軸的內錐面接觸,實心的錐體直接在主軸內錐孔內支承刀具,可以減小刀具的懸伸量;這種聯(lián)結只有一個尺寸即錐角需加工到很高的精度,所以成本較低而且可靠,多年來應用非常廣泛。


    但是,7/24聯(lián)結也有一些缺點;錐度較大,錐柄較長,錐體表面同時要起兩個重要的作用,即刀具相對于主軸的精確定位及實現(xiàn)刀具夾緊并提供足夠的聯(lián)結剛度。由于它不能實現(xiàn)與主軸端面和內錐面同時定位,所以標準的7/24刀/軸錐聯(lián)結在主軸端面和刀柄法蘭端面間有較大的間隙。在ISO標準規(guī)定7/24錐度配合中,主軸內錐孔的角度偏差為“-”,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,在配合的后段還會產生間隙,如典型的AT4級(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13μm,這個徑向間隙會導致刀尖的跳動和破壞結構的動平衡,還會形成以接觸前端為支點的條件,當刀具所受的彎矩超過拉桿軸向拉力產生的摩擦力矩時,刀具會以前段接觸區(qū)為支點擺動。在切削力作用下,刀具在主軸內錐孔的這種擺動,會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)結的剛度對錐角的變化和軸向拉力的變化很敏感。當拉力增大4~8倍時,聯(lián)結的剛度可提高20%~50%,但是,過大的拉力在頻繁的換刀過程中會加速主軸內孔的磨損,使主軸內孔膨脹,影響主軸前軸承的壽命。

    另外,如前所述,這種實心刀柄的錐聯(lián)結在高速旋轉時,主軸端部擴張量大于錐柄的擴張量,高速性能差,不適合超高速主軸與刀具的聯(lián)結。 



                           圖 2 HSK刀柄與主軸聯(lián)結結構


    HSK也有缺點:它與現(xiàn)在的主軸端面結構和刀柄不兼容;制造精度要求較高,結構復雜,成本較高(刀柄的價格是普通標準7/24刀柄的1.5~2倍);錐度配合過盈量較小(是KM結構的1/5~1/2),極限轉速比KM結構低。

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