高速加工工具系統的研究及進展

1 引言
    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作用。圖1是高速加工時BT工具系統工作示意圖。但是，在高速加工中，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
2.1 HSK工具系統
    HSK刀柄是德國阿亨工業大學機床研究所研究開發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)。

(a) HSK (b) KM (c) NC5
圖2 三種代表性的新型刀柄示意圖

2.2 KM工具系統
    KM工具系統是美國Kennametal公司及德國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。
2.3N C5工具系統
    NC5工具系統是日本株式會社日研工作所開發的，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。 
2.4 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。

圖3 BT刀柄與Big-plus刀柄對比圖