机床主轴与刀具刀柄联结的设计研究

 
摘要：分析了主轴高转速对刀/轴联结强度的影响及高速加工对刀/轴联结的基本要求、现行7/24锥度联结存在的问题，介绍了几种国外典型刀/轴联结的设计方案，并对各种结构的优缺点进行了研究。
 高速加工具有比普通加工大5～10倍的切削速度，其优点是能减少加工时间，达到普通加工需要几道工序才能达到的加工精度和表面质量。与高速切削有关的主要问题有：刀具材料及设计、高速机床主轴的动平衡、机床的热态动态性能及可靠性等。而刀具与主轴的联结问题会严重影响高速切削的可靠性及机床主轴的动平衡，已成为限制高速切削的薄弱环节之一。
    一、高速切削对刀/轴联结要求
    高速加工要求确保高速下主轴与刀具联结状态不能发生变化。但是，高速主轴的前端锥孔由于离心力的作用会膨胀，膨胀量的大小随着旋转半径与转速的增大而增大，标准的7/24实心刀柄膨胀量较小，因此标准锥度联结的刚度会下降，在拉杆拉力的作用下，刀具的轴向位置会发生改变(见图1)。主轴的膨胀还会引起刀具及夹紧机构质心的偏离，从而影响主轴的动平衡。要保证这种联结在高速下仍有可靠的接触，需有一个很大的过盈量来抵消高速旋转时主轴轴端的膨胀，如标准40号锥需初始过盈量为15～20μm，再加上消除锥度配合公差带的过盈量(AT4级锥度公差带达13μm)，因此这个过盈量很大。这样大的过盈量需拉杆产生很大的拉力，拉杆产生这样大的拉力一般很难实现，对换刀也非常不利，还会使主轴端部膨胀，对主轴前轴承有不良影响。
    高速加工对动平衡要求非常高，不仅要求主轴组件需精密动平衡(G0.4级以上)，而且刀具及装夹机构也需精密动平衡。但是，传递转矩的键和键槽很容易破坏动平衡，而且，标准的7/24锥柄较长，很难实现全长无间隙配合，一般只要求配合面前段70%以上接触，因此配合面后段会有一定的间隙，该间隙会引起刀具径向跳动，影响结构的动平衡。键是用来传递转矩和进行角向定位的，为解决键及键槽引起的动平衡问题，可以尝试研究一种刀/轴联结实现在配合处产生很大的摩擦力以传递转矩，并用在刀柄上作标记的方法实现安装的角向定位，达到取消键的目的。
    二、标准7/24锥联结的优缺点
    标准的7/24锥联结有许多优点：因不自锁，可实现快速装卸刀具；刀柄的锥体在拉杆轴向拉力的作用下，紧紧地与主轴的内锥面接触，实心的锥体直接在主轴内锥孔内支承刀具，可以减小刀具的悬伸量；这种联结只有一个尺寸即锥角需加工到很高的精度，所以成本较低而且可靠，多年来应用非常广泛。
    但是，7/24联结也有一些缺点；锥度较大，锥柄较长，锥体表面同时要起两个重要的作用，即刀具相对于主轴的精确定位及实现刀具夹紧并提供足够的联结刚度。由于它不能实现与主轴端面和内锥面同时定位，所以标准的7/24刀/轴锥联结在主轴端面和刀柄法兰端面间有较大的间隙。在ISO标准规定7/24锥度配合中，主轴内锥孔的角度偏差为“－”，刀柄锥体的角度偏差为“＋”，以保证配合的前段接触，所以它的径向定位精度往往不够，在配合的后段还会产生间隙，如典型的AT4级(ISO1947，GB11334-89)锥度规定角度的公差值为13″，这就意味着配合后段的最大径向间隙高达13μm，这个径向间隙会导致刀尖的跳动和破坏结构的动平衡，还会形成以接触前端为支点的条件，当刀具所受的弯矩超过拉杆轴向拉力产生的摩擦力矩时，刀具会以前段接触区为支点摆动。在切削力作用下，刀具在主轴内锥孔的这种摆动，会加速主轴锥孔前段的磨损，形成喇叭口，引起刀具轴向定位误差。
    7/24锥度联结的刚度对锥角的变化和轴向拉力的变化很敏感。当拉力增大4～8倍时，联结的刚度可提高20%～50%，但是，过大的拉力在频繁的换刀过程中会加速主轴内孔的磨损，使主轴内孔膨胀，影响主轴前轴承的寿命。
    另外，如前所述，这种实心刀柄的锥联结在高速旋转时，主轴端部扩张量大于锥柄的扩张量，高速性能差，不适合超高速主轴与刀具的联结。
    三、标准7/24锥联结的优缺点
    标准的7/24锥联结有许多优点：因不自锁，可实现快速装卸刀具；刀柄的锥体在拉杆轴向拉力的作用下，紧紧地与主轴的内锥面接触，实心的锥体直接在主轴内锥孔内支承刀具，可以减小刀具的悬伸量；这种联结只有一个尺寸即锥角需加工到很高的精度，所以成本较低而且可靠，多年来应用非常广泛。
    但是，7/24联结也有一些缺点；锥度较大，锥柄较长，锥体表面同时要起两个重要的作用，即刀具相对于主轴的精确定位及实现刀具夹紧并提供足够的联结刚度。由于它不能实现与主轴端面和内锥面同时定位，所以标准的7/24刀/轴锥联结在主轴端面和刀柄法兰端面间有较大的间隙。在ISO标准规定7/24锥度配合中，主轴内锥孔的角度偏差为“－”，刀柄锥体的角度偏差为“＋”，以保证配合的前段接触，所以它的径向定位精度往往不够，在配合的后段还会产生间隙，如典型的AT4级(ISO1947，GB11334-89)锥度规定角度的公差值为13″，这就意味着配合后段的最大径向间隙高达13μm，这个径向间隙会导致刀尖的跳动和破坏结构的动平衡，还会形成以接触前端为支点的条件，当刀具所受的弯矩超过拉杆轴向拉力产生的摩擦力矩时，刀具会以前段接触区为支点摆动。在切削力作用下，刀具在主轴内锥孔的这种摆动，会加速主轴锥孔前段的磨损，形成喇叭口，引起刀具轴向定位误差。
    7/24锥度联结的刚度对锥角的变化和轴向拉力的变化很敏感。当拉力增大4～8倍时，联结的刚度可提高20%～50%，但是，过大的拉力在频繁的换刀过程中会加速主轴内孔的磨损，使主轴内孔膨胀，影响主轴前轴承的寿命。
    另外，如前所述，这种实心刀柄的锥联结在高速旋转时，主轴端部扩张量大于锥柄的扩张量，高速性能差，不适合超高速主轴与刀具的联结。
    HSK也有缺点：它与现在的主轴端面结构和刀柄不兼容；制造精度要求较高，结构复杂，成本较高(刀柄的价格是普通标准7/24刀柄的1.5～2倍)；锥度配合过盈量较小(是KM结构的1/5～1/2)，极限转速比KM结构低。
    2.改进型的设计
    该类型的联结是以开发出比普通7/24锥联结具有较好精度、刚度和高速性能，同时又能与现存的主轴端部和刀柄兼容为出发点设计出来的。
    锥面与端面同时接触定位的WSU-1：这种设计利用了“虚拟锥度”的概念，即以离散的点或线形成一个锥面，与主轴内锥孔面接触(见图3)。实现这些点线接触 的元件是弹性的，因此，当拉杆轴向拉力使刀柄与主轴端面定位接触时，只会使刀柄锥体的这些弹性元件变形，刀柄不变形。这种方法可使接触锥部获得较大的过盈量，而不需太大的拉力，也不会使主轴膨胀，对接触面的污染不敏感。
    WSU-1要求的加工精度与7/24刀柄相同，刀柄的锥部仍采用7/24锥度，但它的直径比相同法兰尺寸的标准刀柄锥度直径要小，锥柄的外表面套有由金属或塑料保持架固定的相同直径的滚珠，由滚珠形成的虚拟锥的直径约比主轴内锥孔直径大5～10μm，在拉杆拉力作用下，滚珠发生弹性变形，刀柄在主轴锥孔内移动直到刀柄法兰与主轴端面接触为止。
    滚珠的材料为金属、塑料或者玻璃，但其制造精度要求很高，球面精度和直径的制造精度都在1μm以下，严格的制造精度可以保证虚拟锥与主轴锥孔良好的配合。虚拟锥与主轴锥孔的接触变形包括滚珠与刀具锥柄、滚珠与主轴锥孔的赫兹变形以及滚珠本身的变形。
    这种联结的主要优点有：实现了端面与锥面的同时接触定位，刚度和高速性能好，主轴不会膨胀，对轴承没有影响；接触区变形大，虚拟锥部与主轴锥孔没有间隙，因此刀杆跳动小；拉杆产生的轴向力在接触锥部损失小，因此施加在刀轴接触端面的压力大，接触面摩擦力增大，在某种程度上可用来传递转矩，替代传动键的作用，可取消键，具有良好的动平衡性能。在拉杆拉力25kN作用下，如接触面摩擦系数为0.35，则50号锥联结可传递的转矩高达360N。m，大于常规铣削所需的转矩，可取消传动键。
    这种方案较好地解决了标准联结的静态问题，对标准7/24锥联结结构改动小，但同轴凹槽的加工精度要求较高，高速时标准7/24锥联结出现的问题仍然存在，因此不适合高速主轴与刀具的联结。
    四、结论
    从以上对现行的标准刀/轴联结和各种改进方案分析可知，刀/轴联结存在的主要问题是联结刚度、精度、动平衡性能、结构的复杂性和制造成本等，为解决这些问题，主要有以下四种方法：(1)对现有结构进行改进，消除联结时联结面间隙，改善标准联结的静态性能；(2)严格规定配合公差，并增大轴向拉力，在不改变标准结构的前提下，实现锥-面同时接触定位；(3)改用小锥度，并采用空心短锥柄结构，实现锥-面同时接触定位；(4)增大配合预过盈量，同时采取措施防止主轴膨胀，改善标准锥柄的高速性能。这四种方法各有优缺点，实际中可根据需要选用不同方法。
    而要使刀/轴联结具有良好的高速性能，最佳途径仍是将标准的仅靠锥面联结定位改为锥面与端面同时接触定位，这显然是一种过定位方案。缓解其中的过定位问题，德国HSK结构和美国的KM、WSU-1结构值得借鉴。