高速切削加工用刀柄的发展现状（一）

HEATS

　　金属切削加工已进入了一个以高速切削为代表的新的发展阶段，由于高速切削加工能极大地提高材料的切除率和零件的加工质量，降低加工成本，因而成为当今金属切削加工的发展方向之一。高速切削刀具技术是高速切削加工的一个关键技术，它包括高速切削刀具材料、刀柄系统、刀具系统动平衡技术、刀具监测技术等。本文就高速切削加工用刀柄的发展现状作一概述。

4 C$ d& r9 \- F" E8 p( O

　　1.高速切削加工对刀具系统的要求

, q* Y* G% J7 V- B

　　所谓刀具系统是指由刀柄、夹头和切削刀具所组成的完整的刀具体系，刀柄与机床主轴相连，切削刀具通过夹头装入刀柄之中。要使刀具系统能在高速下进行切削加工，应满足以下基本条件：

0 v: r0 A/ c( Q' O# M

　　较高的系统精度系统精度包括系统定位夹持精度和刀具重复定位精度，前者指刀具与刀柄、刀柄与机床主轴的连接精度；后者指每次换刀后刀具系统精度的一致性。刀具系统具有较高的系统精度，才能保证高速加工条件下刀具系统应有的静态和动态稳定性。

: `- _5 H) `" m( I3 F& N& x # M2 P+ _ O9 s$ _9 D4 r% X9 I. Q

　　较高的系统刚度刀具系统的静、动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚度不足会导致刀具系统振动，从而降低加工精度，并加剧刀具的磨损，降低刀具的使用寿命。

& p0 X& W1 G' h' [" t- U- h

　　较好的动平衡性高速切削加工条件下，微小质量的不平衡都会造成巨大的离心力，在加工过程中引起机床的急剧振动。因此，高速刀具系统的动平衡非常重要。

6 F3 o, t m) \; h6 O$ ?7 c- A! } ; _. C/ g, h+ n! z) H2 J9 i

　　2.传统实心长刀柄结构存在的问题

% z' M1 O% e' E5 |* P

　　目前，在数控铣床、数控镗床和加工中心上使用的传统刀柄是标准7:24锥度实心长刀柄。这种刀柄与机床主轴的连接只是靠锥面定位，主轴端面与刀柄法兰端面间有较大间隙。这种刀柄结构在高速切削条件下会出现下列问题：

) Y9 N- Z- R6 z2 ]4 [% f$ C# P3 ^

　　刀具动、静刚度低刀具高速旋转时，由于离心力的作用，主轴锥孔和刀柄均会发生径向膨胀，膨胀量大小随旋转半径和转速的增大而增大。这就会造成刀柄的膨胀量小于主轴锥孔的膨胀量而出现配合间隙，使得本来只靠锥面结合的低刚性连接的刚度进一步降低。

: S0 F/ B; c2 v6 X8 ~" g- y 9 `4 p) S3 h& C4 {

　　动平衡性差标准7:24锥度柄较长，很难实现全长无间隙配合，一般只要求配合前段70%以上接触，而后段往往会有一定间隙。该间隙会引起刀具的径向圆跳动，影响刀具系统的动平衡。

& r' O [0 b) y q7 T

　　重复定位精度低当采用ATC(Automatic Tool Changing，自动换刀)方式安装刀具时，由于锥度较长，难以保证每次换刀后刀柄与主轴锥孔结合的一致性。同时，长刀柄也限制了换刀过程的高速化。

/ b8 y- g6 a1 _0 R# E- o2 m5 Q

　　3.多种新型刀柄的开发与应用

! Q5 g; Q7 A3 s# {: F& [

　　为了适应高速切削加工对刀具系统的要求，最近10年各工业发达国家相继研制开发了多种新型结构的刀柄。简介如下。

' A q6 n5 N3 }6 }7 M' U8 g 0 D' I7 x o% q: |# I" z; J3 w

　　1) HSK刀柄

: I% W. q5 W2 q

　　HSK(德文Hohlschaftkegel缩写)刀柄是德国阿亨(Aachen)工业大学机床研究所在20世纪90年代初开发的一种双面夹紧刀柄，它是双面夹紧刀柄中最具有代表性的。HSK刀柄已于1996年列入德国DIN标准，并于2001年12月成为国际标准ISO12164。由于其刚度和重复定位精度较标准7:24锥度柄提高了几倍至几十倍，因此在机械制造业得到了广泛的认同和采用。例如，在德国奔驰汽车公司和大众汽车公司，HSK刀柄被广泛用于铣削、钻削和车削加工中。在我国一汽大众公司的发动机、传动器生产线上共有二百五十多台数控机床采用了HSK高速短锥空心柄工具系统，共6个规格。

　　HSK刀柄由锥面(径向)和法兰端面(轴向)双面定位，实现与主轴的刚性连接。当刀柄在机床主轴上安装时，空心短锥柄与主轴锥孔能完全接触，起到定心作用。此时，HSK刀柄法兰盘与主轴端面之间还存在约0.1mm的间隙。在拉紧机构作用下，拉杆的向右移动使其前端的锥面将弹性夹爪径向胀开，同时夹爪的外锥面作用在空心短锥柄内孔的30°锥面上，空心短锥柄产生弹性变形，并使其端面与主轴端面靠紧，实现了刀柄与主轴锥面和主轴端面同时定位和夹紧的功能。

7 H3 n$ S( ]7 C B5 M/ W3 t , C* ? [9 L- c$ B) q$ l