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高速加工工具系統的研究及其進展

時間:2011-05-25 12:19:19 來源:未知

1 前言

高速加工是集材料科學、工程力學、機械動力學和制造科學于一體的高新加工技術，在汽車制造、航空航天和機械加工多個行業得到了越來越廣泛的應用。高速加工工具系統是高速加工機床的重要組成部分，其性能直接影響到加工質量和加工效率。因此，高速加工工具系統的研究與開發倍受國內外機械工程專家和學者的關注。
半個多世紀以來，傳統的BT(7:24錐度)工具系統在機械加工中發揮了重要的作用。圖1是高速加工時BT工具系統工作示意圖。高速加工時主軸工作轉速達到每分鐘數萬轉，在離心力作用下主軸孔的膨脹量比實心的刀柄大，使錐柄與主軸的接觸面積減少，導致BT工具系統的徑向剛度、定位精度下降；在夾緊機構拉力的作用下，BT刀柄的軸向位置發生變化，軸向精度下降，從而影響加工精度；機床停車時，刀柄內陷于主軸孔內將很難拆卸。另外，由于BT工具系統僅使用錐面定位、夾緊，還存在換刀重復精度低、連接剛度低、傳遞扭矩能力差、尺寸大、重量大、換刀時間長等缺點。為解決上述問題，美國、德國、日本等工業發達國家相繼開發出若干新型工具系統，以滿足現代機械加工生產的要求。

圖1 傳統的BT工具系統工作示意圖

2 國外新型工具系統的開發

  1. HSK工具系統
    HSK刀柄是德國阿亨工業大學機床研究所研究的一種新型的高速短錐刀柄(見圖2a) ，其結構特點是空心、薄壁、短錐，錐度為1:10 ；端面與錐面同時定位、夾緊，刀柄在主軸中的定位為過定位；使用由內向外的外漲式夾緊機構。
    HSK工具系統最突出的特點就是端面和錐面同步接觸。夾緊時，由于錐部有過盈，所以錐面受壓產生彈性變形，同時刀柄向主軸錐孔軸向位移，以消除初始間隙，實現端面之間的貼合，這樣就實現了雙面同步夾緊。就其本身的定位而言，這種保證錐面和端面同時定位的方式實質上是過定位。HSK接口的徑向精度是由錐面接觸特性決定的，這一點與BT錐柄一致(二者的徑向精度均可達到0.2µm) 。HSK接口的軸向精度由接觸端面決定，這與BT錐柄明顯不同，中空結構是HSK刀柄的一個重要特征。要實現雙面接觸，錐面必須產生彈性變形，與實心柄相比，空心柄產生彈性變形容易得多，所消耗的夾緊力也小得多，而當主軸高速回轉時，空心薄壁的徑向膨脹量與主軸內錐孔相差不大，有利于在較大轉速范圍內保持錐面的可靠接觸。HSK刀柄的空心柄部還為夾緊機構提供了安裝空間，以實現由內向外的夾緊。這種夾緊方式可以把離心力轉化為夾緊力，使刀柄在高轉速下工作時的夾緊更為可靠。此外，HSK刀柄的空心柄部還使內部切削液的供應成為可能。
    HSK工具系統以其定位精度高，靜、動態剛度高，尺寸小、重量輕、結構緊湊，適合高速切削等優點，已成為高速加工中最有發展潛力的高級系統。國際標準化組織最終確定以HSK為新型工具系統的國際標準， 并于2001年頒布了該項ISO標準(ISO12164) 。
  2. KM工具系統
    KM工具系統是美國肯納金屬(Kennametal)公司及德國維迪亞(Widia)公司聯合研制的(見圖2b)，其基本形狀與HSK很類似，也是采用了1:10 的空心短錐配合和雙面定位方式。主要的差別在于夾緊機構的不同，KM刀柄是使用鋼球斜面鎖緊，夾緊時鋼球沿拉桿凹槽的斜面被推出，卡在刀柄上的鎖緊孔斜面上，將刀柄向主軸孔拉緊，刀柄產生彈性變形使刀柄端面與主軸端面貼緊。
    KM工具系統具有高剛度、高精度、快速裝夾和維護簡單等優點。試驗證實KM刀柄的動剛度比HSK系統更高，不過由于KM刀柄錐面上開有對稱的兩個供夾緊用的圓弧凹槽，需要非常大的夾緊力才能正常工作。

    (a) HSK
    (b) KM
    (c) NC5    圖2 三種代表性的新型刀柄示意圖
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  3. NC5 工具系統
    NC5工具系統是日本株式會社日研工作所開發的(見圖2c)，采用1:10 錐度雙面定位結構。錐柄采用實心結構，使其抗高頻顫振能力優于空心短錐結構。其定位原理與HSK、KM相同，不同的是把1/10錐柄分成了錐套和錐柄兩部分，錐套端面有碟型彈簧，具有緩沖抑振作用。通過錐套的微量位移，可以有效吸收錐部基準圓的微量軸向位置誤差，以便緩和刀柄的制造難度。彈簧的預壓作用還能衰減切削時的微量振動，有益于提高刀具的耐用度。當高速旋轉的離心力導致錐孔擴張時，彈簧會使軸套產生軸向位移，補償徑向間隙，確保徑向精度，由于刀柄本體并未產生軸向移動，因此又能保證工具系統的軸向精度。

    圖3 BT刀柄與Big-plus刀柄對比圖
  4. Big-plus工具系統
    Big-plus工具系統是日本大昭和精機公司開發的改進型7:24 錐柄工具系統(見圖3) 。該系統與現有的7:24 錐柄完全兼容，它將主軸端面與刀具法蘭間的間隙量分配給主軸和刀柄各一半，分別加長主軸和加厚刀柄法蘭的尺寸，實現主軸端面與刀具法蘭的同時接觸。裝入刀柄時伴隨主軸孔的擴張使刀具軸向移動達到端面接觸。
    與BT錐柄相比，Big-plus錐柄對彎矩的承載能力因有一個加大的支撐直徑而提高，從而增加了裝夾穩定性。Big-plus 工具系統的夾持剛性高，因此在高速加工中可減少刀柄的跳動，提高重復換刀精度。

3 國內新型工具系統的研究

我國在新型工具系統的研究方面起步較晚，對工具系統進行實質性分析研究的成果較少。其中成都工具研究所的梁彥學高工、張鐵銘高工、趙柄楨高工在引進HSK工具系統標準、探索制造工藝及動平衡方面作了許多工作。成都工具研究所“九五”期間承擔了國家重點科技攻關專題《數控機床工具系統工程化技術的開發研究》，主要成果是引進了HSK刀柄的制造標準，開發了相應的加工工藝，并據此制造出了HSK刀柄及部分檢測設備，填補了國內空白。
在此基礎上，成都工具研究所和江蘇大學等單位共同承擔的國家“十五”科技攻關課題“高速加工工具系統的開發與應用”，利用有限元法對高速狀態下HSK工具系統的特性進行了仿真分析、建立了力學模型和專家知識庫，為掌握其結構動態、靜態特性、工作機理提供了科學理論指導和依據； 建立了HSK 工具系統柄的標準圖庫及HSK 工具系統產品圖庫，制定了HSK工具系統的制造技術規范；完成了HSK工具系統標準技術的研究工作，制定了HSK工具系統國家標準，為我國HSK 工具系統的產業化、推廣應用并進入國際市場打下了良好的基礎。
江蘇大學對HSK刀柄的結構進行優化，提出磨損后的HSK刀柄的重磨方法，減小了刀柄加工誤差的不利影響，使刀柄的性能更可靠，實現了磨損后的HSK 刀柄再利用，降低了生產成本，解決了HSK刀柄磨損后不能再利用的難題。華南理工大學的劉旺玉利用有限元方法對HSK薄壁液壓夾頭夾緊扭矩進行了分析。山東大學的張松等借用非線性有限元技術對HSK主軸/刀具聯接的變形及接觸應力分布進行了分析，討論了旋轉速度和過盈量對接觸應力的影響。

4 工具系統研究中存在的問題及其對策

  1. 開發工具系統制造與檢測一體化技術，提高刀柄的加工質量
    高速加工的工具系統大都采用過定位的雙面夾緊方式，因此對加工精度要求很高，否則將嚴重影響其使用性能。目前即使國外的著名工具生產廠家在生產HSK刀柄時，也很難做到所有的加工精度指標都滿足HSK的ISO12164 標準。因此，探索先進的加工方法和加工工藝，開發關鍵工序的檢測儀器，提高和穩定工具系統的加工質量是高速加工工具系統研究中要解決的共同問題。
  2. 提高工具系統和機床連接的動平衡精度，減少高速下的切削振動 #p#分頁標題#e#
    在高速加工中，工具系統微小的不平衡都可能造成巨大的離心力，引起機床和加工過程的振動，這不僅影響零件的加工精度和表面質量，而且容易損壞刀具，降低主軸軸承的精度和壽命，因此，需要尋求新的動平衡標準及測量方法，開發高精度的動平衡技術。
  3. 開發智能型工具系統，實現使用過程的智能化控制
    加強在線自動動平衡裝置的開發，使工具系統具有在線自動動平衡功能。研制具有在線故障預報功能的工具系統，使其在安裝或使用中出現故障時可以自動報警，使高速加工更安全。
  4. 提高刀具和主軸錐孔的配合精度，提高聯接可靠性
    工具系統與主軸之間采用錐面和端面同時定位夾緊的方式，由于錐面存在著過盈，在高速情況下，錐面的應力變形會更加嚴重，從而使工具系統的可靠性下降，因此需要加強對錐面配合方式和配合精度的研究，以加強工具系統的可靠性。

5 結語

目前，高速切削加工已成為現代制造的重要發展方向之一，但對高速加工工具系統的基礎性研究還不夠充分，對影響工具系統的關鍵因素的研究還有待深入。縱觀各工業發達國家對新型工具系統的研究和開發情況可以看出，高速加工工具系統的發展趨勢是:優先采用具有端面和錐面雙面定位的過定位方式，進一步提高刀柄的制造精度，開發多功能和智能刀柄。除此以外，盡快實現高速加工工具系統的標準化、系列化也是一個不容忽視的問題。