任成高， 申曉龍， 宋麗娜

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410208）

0 引言

在高端裝備制造領(lǐng)域， 隨著數(shù)控加工中心設(shè)備的應(yīng)用推廣，數(shù)控加工中心刀具使用量也隨之不斷增加，數(shù)控加工中心機(jī)床上使用最多的主要工具附件是7：24 的工具錐柄。 目前，加工中心自動(dòng)換刀常用的7：24 錐柄標(biāo)準(zhǔn)通常有：中國(guó)國(guó)標(biāo)GB10944-89“自動(dòng)換刀機(jī)床用7：24 圓錐工具柄部40、45、50 號(hào)圓錐柄； 德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN69871 的30、40、45、50、60 號(hào)圓錐工具錐柄；日本標(biāo)準(zhǔn)JISB6339 的30、35、40、45、50、55、60 號(hào)圓錐工具錐柄； 美國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)AMSEB5.50 的30、40、45、50、60 號(hào)圓錐工具錐柄[1]。

一般上述7：24 圓錐工具錐柄均需安裝拉釘才能使用[2]，由于裝備制造產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展多年來(lái)，從許多先進(jìn)國(guó)家引進(jìn)大量不同型式的數(shù)控加工中心機(jī)床， 機(jī)床的工具錐柄型號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)相差很大， 對(duì)數(shù)控中心深腔加工刀具夾持技術(shù)的選擇使用帶來(lái)一些問(wèn)題和困難。

1 數(shù)控刀柄的技術(shù)要求

常用的BT/JT 系列的7：24 工具錐柄， 技術(shù)要求按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO7388、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10944、日本JISB6339、德國(guó)DIN69871 標(biāo)準(zhǔn)， 滿足30、35、40、45、50、60 號(hào) 的 標(biāo)準(zhǔn)。其中國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)可以互換[3]。具體技術(shù)要求如下。

1.1 結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵尺寸

BT/JT 系列自動(dòng)換刀刀柄和拉釘部分，對(duì)于中心內(nèi)冷的刀柄，所有的拉釘采用通孔的形式。 對(duì)不同的刀柄，如彈簧夾頭、鉆夾頭、鏜刀、不同錐度（如2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)、5號(hào)）立銑刀，其結(jié)構(gòu)需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

錐度部分與主軸端面過(guò)渡部分的尺寸為 （D1，D1+0.05mm）控制。D1 為測(cè)量平面上的基本直徑。對(duì)特殊要求的刀柄，40 刀柄D3 最大尺寸為50mm，50 刀柄系列D3最大為80mm。 刀柄與拉釘連接部分的D2 的孔口倒角，可以用半徑R1 的圓弧或30°倒角兩種形式，但倒角端面的尺寸應(yīng)控制在D4 以內(nèi)[4-5]。 BT/JT50 系列精度按照（0，+0.051）控制，全部按照“+”控制，小端參考直徑為40.158mm。

圖1 BT/JT 系列刀柄

1.2 材料與熱處理

一般采用SCM420 日本材料牌號(hào)， 對(duì)應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT/3077，材料牌號(hào)為20Cr-Mo，材料的延伸率δ=12%，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用還可以采用材料和熱處理方式進(jìn)行特種非標(biāo)刀柄的制造。

圖2 BT 系列拉釘結(jié)構(gòu)及尺寸

刀柄錐柄部分表面滲碳淬火或高頻淬火，表面層深度0.8～1mm，表面硬度HRC52～HRC58。刀柄本體部分硬度要求HRC35～HRC45， 刀柄本體部分抗拉強(qiáng)度為1058～1440MPa；淬火部分抗拉強(qiáng)度σb＞1650MPa，σs＞1500MPa[6-7]。 拉釘本體部分要求硬度HRC35～45，表面滲碳淬火或高頻淬火，表面層深度0.8～1mm，表面硬度HRC52～56。

1.3 表面處理與檢測(cè)

圓錐部分、拉釘連接部分、形槽區(qū)域的表面粗糙度為Ra0.8，其余部分為Ra1.6，不超過(guò)3.2。7：24 圓錐表面不應(yīng)有劃痕、銹跡、磨削燒傷及裂紋等缺陷。

7：24 錐角檢驗(yàn)可采用比較測(cè)量法，也可采用圓錐量規(guī)測(cè)量，具體按照GB/T11852 中的相關(guān)規(guī)定；柄部?jī)?nèi)螺紋按照6H 精度制造， 保證配用拉釘在最大實(shí)體條件時(shí)可順利旋入；鍵槽槽底應(yīng)該有過(guò)渡圓角，刀柄進(jìn)行動(dòng)平衡檢測(cè)，動(dòng)平衡量不大于6.3G[8]。

2 數(shù)控刀柄自定心夾緊機(jī)構(gòu)的原理與計(jì)算

2.1 碟形彈簧片定心夾具的原理與計(jì)算

圖3 所示為碟形彈簧片夾緊心軸的結(jié)構(gòu)圖。 圖中心軸4 的錐柄連接機(jī)床主軸，工件5 通過(guò)心軸定位，旋轉(zhuǎn)螺母1 從而將軸向夾緊力通過(guò)壓緊套加在碟形彈簧片3上， 進(jìn)而彈簧片徑向脹大， 達(dá)到使工件定心并夾緊的目的， 碟形彈簧片其徑向方向上的脹開(kāi)量可達(dá)大約0.1～0.4mm，定心精度可達(dá)約為Φ0.01～Φ0.002mm[9]。

圖3 碟形彈簧片夾緊心軸

碟形彈簧片工作時(shí)，當(dāng)傳遞所需的轉(zhuǎn)矩T，其所需要施加的軸向力Q（N）的計(jì)算是：

其中：T—所需傳遞的轉(zhuǎn)矩 （Nm）；D—工件定位基準(zhǔn)的直徑（m）；f —裝夾表面的摩擦系數(shù)；β—碟形彈簧片錐面半角（°）；K—安全系數(shù)。

2.2 碗形彈簧片定心夾具的原理與計(jì)算

圖4（a）所示為碗形彈簧片定心裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，它用于夾持工件的外圓。 擰緊螺釘1，使碗形彈簧片2 的中部向左變形，于是定位面d 縮小，將工件定心并夾緊。 這里的四個(gè)支柱3 用以對(duì)工件實(shí)現(xiàn)軸向定位。為增加彈性，在碗形彈簧片上開(kāi)有許多交錯(cuò)排列的徑向槽，見(jiàn)圖4（b）。

圖4 碗形彈簧片自定心夾具簡(jiǎn)圖

用于工件以大直徑內(nèi)孔作為定位基準(zhǔn)的碗形彈簧片定心裝置，擰緊螺母，簧片的外圓脹大，使工件定心并夾緊。氣動(dòng)裝置聯(lián)用的碗形彈簧片定心裝置，要靠彈簧使碗形彈簧片松開(kāi)， 碗形彈簧片用螺釘和銷子固定在夾具體上，在裝配后磨削定位面。偏心杠桿機(jī)構(gòu)操縱的碗形彈簧片定心裝置，用于以外圓定心的工件[10-11]。 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，偏心軸推動(dòng)杠桿向下擺動(dòng)，拉桿下移，使碗形彈簧片變形，定位表面的內(nèi)徑縮小，將工件定心并夾緊。

2.3 薄壁波紋套定心夾具的原理與計(jì)算

薄壁波紋套自定心夾具簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5 所示， 其結(jié)構(gòu)與工作原理表述是，圖5（a）為松開(kāi)狀態(tài)，擰動(dòng)旋轉(zhuǎn)螺母1 通過(guò)壓緊墊圈套3 使薄壁波紋套2 進(jìn)行軸向壓縮變形，同時(shí)套筒外徑因變形從而尺寸增大， 進(jìn)而促使工件得到精確定心并夾緊，如圖5（b）所示。

圖5 薄壁波紋套自定心夾具簡(jiǎn)圖

此種定心夾具多用于如：齒輪、環(huán)、套筒等類零件的精加工。 其工作特點(diǎn)是夾緊力均勻、 定心精度高， 可達(dá)Φ0.01mm，一般可比較穩(wěn)定在Φ0.02mm 以內(nèi)。 并且由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命也較長(zhǎng)（通常每裝夾10000 次后，其定心精度只降低Φ0.01mm）[12]。 波紋套與軸的間隙取0.025～0.045mm，內(nèi)徑與端面的粗糙度為Ra0.32，端面圓跳動(dòng)一般取3～4 級(jí)。波紋套的材料一般常采用T10A、65Mn等，熱處理至48～52HRC。

3 數(shù)控深腔加工刀柄的分析與應(yīng)用

3.1 模塊化數(shù)控深腔鏜銑刀柄

當(dāng)前數(shù)控深腔加工中心用刀柄從整體結(jié)構(gòu)上可以統(tǒng)分為整體式刀柄與模塊化式刀柄，整體式刀柄的優(yōu)點(diǎn)是剛性好，精度高。而模塊化式刀柄具有靈活性強(qiáng)、可以自由組合；可以減少刀柄的種類與規(guī)格，從而減少庫(kù)存等諸多優(yōu)點(diǎn)。 總體來(lái)說(shuō)，模塊化式刀柄最關(guān)鍵的是取決于模塊與模塊之間的聯(lián)結(jié)方式，模塊化式刀柄聯(lián)結(jié)方式的好壞主要取決于以下幾個(gè)指標(biāo)參數(shù)，即：剛性、精度、可操作性。

3.2 數(shù)控深腔鏜銑高速刀柄的結(jié)構(gòu)

目前，數(shù)控深腔高速加工刀具系統(tǒng)主要有：德國(guó)的HSK空心短錐柄、美國(guó)的KM 工具系統(tǒng)、日本的NC5 工具系統(tǒng)等。 這些工具系統(tǒng)各具特點(diǎn)， 部分優(yōu)化了傳統(tǒng)7：24 錐度BT 工具系統(tǒng)的問(wèn)題。 在眾多的數(shù)控深腔高速加工工具系統(tǒng)中， 通常一般地看HSK 工具系統(tǒng)具有允許轉(zhuǎn)速高、回轉(zhuǎn)定位精度好、動(dòng)靜剛度高等主要性能優(yōu)點(diǎn)。 一般HSK工具系統(tǒng)有以下A 型～F 型六種不同的結(jié)構(gòu)型式， 見(jiàn)圖6。A～D 型是利用鍵槽傳遞扭矩的， 適用于中等轉(zhuǎn)速加工的場(chǎng)合[13]。 E、F 型利用錐面與端面摩擦力傳遞扭矩，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，適用于高速加工情形。

圖6 HSK 高速工具刀柄結(jié)構(gòu)

HSK 工具系統(tǒng)刀柄結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)如下： ①定位精度高，刀柄壁薄，主軸和刀柄間采用較大徑向過(guò)盈配合，在軸向端面上也增加了接觸的定位； ②軸向端面和徑向錐面采用過(guò)定位方式，滿足靜動(dòng)態(tài)剛度高特點(diǎn)；③縮短主軸軸向尺寸，主軸與刀柄接觸更可靠，此鐘短錐面結(jié)構(gòu)縮短主軸懸伸量，因而提高系統(tǒng)剛度；④刀柄尺寸小、重量輕、換刀迅速方便，空心薄壁結(jié)構(gòu)能保證刀柄的可靠定位，滿足了數(shù)控深腔高速加工的要求。

3.3 數(shù)控深腔加工刀柄的分析與應(yīng)用

數(shù)控深腔高速加工過(guò)程中，在主軸、刀柄和刀具的高速旋轉(zhuǎn)下， 由于只要有較小的不同軸或偏心就會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，從而振動(dòng)影響加工零件和產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，降低刀具和主軸使用壽命。 HSK 刀柄因采用主軸孔和刀柄過(guò)定位， 其重復(fù)定位精度可以達(dá)到相比傳統(tǒng)錐度刀柄基礎(chǔ)上提高到1μm。

根據(jù)數(shù)控深腔高速加工動(dòng)平衡的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， 主軸轉(zhuǎn)速當(dāng)達(dá)到8500r/min 以上時(shí)， 相應(yīng)的進(jìn)給速度須大于22m/min。 HSK 刀柄要達(dá)15000～35000r/min 以上，這樣配置數(shù)控深腔高速加工切削時(shí)的夾持刀具系統(tǒng)就顯得更加重要了，通常刀柄的選擇原則，根據(jù)數(shù)控深腔高速加工夾持刀柄刀具的配置經(jīng)驗(yàn)，一般應(yīng)用選擇如下：

（1）整體式刀柄，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是刀柄和刀體連結(jié)為一體， 在經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡機(jī)測(cè)試及調(diào)整系統(tǒng)安裝銑削刀片進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)節(jié)刀具后， 來(lái)滿足數(shù)控深腔高速銑削零件加工的需要， 整體式刀柄尤其適合深腔模具數(shù)控加工的高速銑削[14]，經(jīng)驗(yàn)表明其相應(yīng)轉(zhuǎn)速一般可達(dá)到15000～35000r/min 的范圍內(nèi)。

（2）液壓式刀柄，相比整體式刀柄而言，具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱性、回轉(zhuǎn)精度較好，是高性能高精度的夾持刀柄，其相應(yīng)的減振性和動(dòng)平衡性能也很不錯(cuò)， 能有效地提高數(shù)控深腔高速銑削零件加工的刀具切削效率和使用壽命，液壓式刀柄轉(zhuǎn)速可以達(dá)到25000r/min 以上。

（3）熱脹式刀柄，它是通過(guò)熱脹式裝置加熱儀進(jìn)行加熱，然后利用熱脹冷縮對(duì)刀具夾緊，由于其具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好、回轉(zhuǎn)精度高、相應(yīng)的動(dòng)平衡性能比較其他型式的刀柄要好，因而將有著非常廣泛的應(yīng)用前景，尤其適合深腔模具數(shù)控高速加工等裝備制造行業(yè)精密零件的切削加工，熱脹式裝刀裝置刀柄轉(zhuǎn)速目前可達(dá)到45000r/min 以上。

同時(shí)需要說(shuō)明的是，數(shù)控深腔高速加工切削時(shí)，應(yīng)盡量避免采用強(qiáng)力精密彈簧夾頭刀柄和側(cè)固式刀柄。 主要原因是， 精密彈簧夾頭刀柄和側(cè)固式刀柄其轉(zhuǎn)速由于本身結(jié)構(gòu)的限制，一般難以達(dá)到20000r/min，精密彈簧夾頭刀柄一般只可達(dá)到10000～14000 r/min， 而側(cè)固式刀柄則連8000r/min 都很難達(dá)到，在數(shù)控深腔高速加工機(jī)床上應(yīng)盡量少用。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控高速深腔加工技術(shù)可獲得特殊的加工精度和表面質(zhì)量， 大型深腔加工刀具刀柄是高速數(shù)控加工中心機(jī)床的核心功能附件之一， 數(shù)控高速加工設(shè)備及刀具刀柄技術(shù)與對(duì)產(chǎn)品更高精度和更先進(jìn)的工藝技術(shù)一樣， 成為數(shù)控高速深腔加工制造最重要的因素。 汽車覆蓋件沖壓模具加工，注塑模具等等零件加工，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用數(shù)控加工中心的高速加工方式。充分利用已有的機(jī)床設(shè)備，提高數(shù)控深腔加工刀柄夾頭的裝刀性能和裝夾可靠性， 最大限度地提高其使用效率， 與加工普通零件一樣來(lái)加工深腔模具，是刀具裝夾應(yīng)用發(fā)展的一個(gè)重要方向。

本文在加工中心機(jī)床數(shù)控刀柄的技術(shù)要求上， 結(jié)合BT/JT 系列自動(dòng)換刀刀柄和拉釘部分， 分別從碟形彈簧片、碗形彈簧片、薄壁波紋套三種定心夾具機(jī)構(gòu)分析數(shù)控刀柄自定心夾緊機(jī)構(gòu)的原理與計(jì)算， 提供了部分經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)從模塊化數(shù)控深腔鏜銑刀柄、數(shù)控深腔鏜銑高速刀柄的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上， 提出了數(shù)控深腔加工刀柄的分析與應(yīng)用， 給出了數(shù)控高速深腔加工技術(shù)整體式刀柄、液壓式刀柄、熱脹式刀柄的選擇方式。