高速銑床主軸與聯(lián)結(jié)

1、高速機(jī)床主軸高速機(jī)床主軸刀具聯(lián)結(jié)的設(shè)計(jì)刀具聯(lián)結(jié)的設(shè)計(jì)摘要摘要：分析了主軸高轉(zhuǎn)速對(duì)刀軸聯(lián)結(jié)強(qiáng)度的影響及高速加工對(duì)刀軸聯(lián)結(jié)的基本要求、現(xiàn)行724錐度聯(lián)結(jié)存在的問題，介紹了幾種國外典型刀軸聯(lián)結(jié)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：高速機(jī)床主軸刀軸聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)高速刀具刀柄高速加工具有比普通加工大5～10倍的切削速度，其優(yōu)點(diǎn)是能減少加工時(shí)間，達(dá)到普通加工需要幾道工序才能達(dá)到的加工精度和表面質(zhì)量。與高速切削有關(guān)的主要問題有：刀具材料

2、及設(shè)計(jì)、高速機(jī)床主軸的動(dòng)平衡、機(jī)床的熱態(tài)動(dòng)態(tài)性能及可靠性等。而刀具與主軸的聯(lián)結(jié)問題會(huì)嚴(yán)重影響高速切削的可靠性及機(jī)床主軸的動(dòng)平衡，已成為限制高速切削的薄弱環(huán)節(jié)之一。一、高速切削對(duì)刀一、高速切削對(duì)刀軸聯(lián)結(jié)要求軸聯(lián)結(jié)要求高速加工要求確保高速下主軸與刀具聯(lián)結(jié)狀態(tài)不能發(fā)生變化。但是，高速主軸的前端錐孔由于離心力的作用會(huì)膨脹，膨脹量的大小隨著旋轉(zhuǎn)半徑與轉(zhuǎn)速的增大而增大，標(biāo)準(zhǔn)的724實(shí)心刀柄膨脹量較小，因此標(biāo)準(zhǔn)錐度聯(lián)結(jié)的剛度會(huì)下降，在拉桿拉力的作用下

3、，刀具的軸向位置會(huì)發(fā)生改變(見圖1)。主軸的膨脹還會(huì)引起刀具及夾緊機(jī)構(gòu)質(zhì)心的偏離，從而影響主軸的動(dòng)平衡。要保證這種聯(lián)結(jié)在高速下仍有可靠的接觸，需有一個(gè)很大的過盈量來抵消高速旋轉(zhuǎn)時(shí)主軸軸端的膨脹，如標(biāo)準(zhǔn)40號(hào)錐需初始過盈量為15～20μm，再加上消除錐度配合公差帶的過盈量(AT4級(jí)錐度公差帶達(dá)13μm)，因此這個(gè)過盈量很大。這樣大的過盈量需拉桿產(chǎn)生很大的拉力，拉桿產(chǎn)生這樣大的拉力一般很難實(shí)現(xiàn)，對(duì)換刀也非常不利，還會(huì)使主軸端部膨脹，對(duì)主軸前

4、軸承有不良影響。圖1在高速離心力作用下主軸擴(kuò)張圖在高速離心力作用下主軸擴(kuò)張圖高速加工對(duì)動(dòng)平衡要求非常高，不僅要求主軸組件需精密動(dòng)平衡(G0.4級(jí)以上)，而且刀具及裝夾機(jī)構(gòu)也需精密動(dòng)平衡。但是，傳遞轉(zhuǎn)矩的鍵和鍵槽很容易破壞動(dòng)平衡，而且，標(biāo)準(zhǔn)的724錐柄較長，很難實(shí)現(xiàn)全長無間隙配合，一般只要求配合面前段70%以上接觸，因此配合面后段會(huì)有一定的間隙，該間隙會(huì)引起刀具徑向跳動(dòng)，影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)平衡。鍵是用來傳遞轉(zhuǎn)矩和進(jìn)行角向定位的，為解決鍵及鍵槽引

5、起的動(dòng)平衡問題，可以嘗試研究一種刀軸聯(lián)結(jié)實(shí)現(xiàn)在配合處產(chǎn)生很大的摩擦力以傳軸和刀柄的固定也有較高的要求，另外主軸端部和刀柄需重新設(shè)計(jì)，換刀時(shí)要使兩部分齒形精確嚙合需較長調(diào)整時(shí)間，影響換刀速度。Svik公司的三棱錐結(jié)構(gòu)：這種刀柄不是圓錐形，而是三棱錐，其棱為圓弧形，錐度為120的空心短錐結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)了錐面與端面同時(shí)接觸定位，三棱結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩傳遞，不再需要傳動(dòng)鍵，消除了因傳動(dòng)鍵和鍵槽引起的動(dòng)平衡問題。但三棱錐特別是主軸三棱錐孔加工困難，加工成

6、本高，與現(xiàn)有刀柄不兼容，配合會(huì)自鎖。KM系列：采用110短錐配合，錐柄的長度僅為標(biāo)準(zhǔn)724錐柄長度的13，由于配合錐度較短，部分解決了端面與錐面同時(shí)定位而產(chǎn)生的干涉問題，刀柄設(shè)計(jì)成中空的結(jié)構(gòu)，在拉桿軸向拉力作用下，短錐可徑向收縮，實(shí)現(xiàn)端面與錐面同時(shí)接觸定位。由于錐度配合部分有較大的過盈量(0.02～0.05mm)，所需的加工精度比標(biāo)準(zhǔn)的724長錐配合所需的精度低。與其它類型的空心錐聯(lián)結(jié)相比，相同法蘭外徑采用的錐柄直徑較小，主軸錐孔在高速

7、旋轉(zhuǎn)時(shí)的擴(kuò)張小，高速性能好。這種系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是，主軸端部需重新設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的724錐聯(lián)結(jié)不兼容；短錐的自鎖會(huì)使換刀困難；由于錐柄是空心的，所以不能用作刀具的夾緊，夾緊需由刀柄的法蘭實(shí)現(xiàn)，這樣增加了刀具的懸伸量，對(duì)于聯(lián)結(jié)剛度有一定的削弱。由于端面接觸定位是以空心短錐和主軸變形為前提實(shí)現(xiàn)的，主軸的膨脹會(huì)惡化主軸軸承的工作條件，影響軸承的壽命。HSK刀柄：這種結(jié)構(gòu)是由德國阿亨大學(xué)機(jī)床研究室(WZL)專為高速機(jī)床主軸開發(fā)的一種刀軸聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，已

8、被DIN標(biāo)準(zhǔn)化。HSK短錐刀柄采用1∶10的錐度，它的設(shè)計(jì)近似于KM系列，它的錐體比標(biāo)準(zhǔn)的724錐短，錐柄部分采用薄壁結(jié)構(gòu)，錐度配合的過盈量較小，對(duì)刀柄和主軸端部關(guān)鍵尺寸的公差帶特別嚴(yán)格，由于短錐嚴(yán)格的公差和具有彈性的薄壁，在拉桿軸向拉力的作用下，短錐有一定的收縮，所以刀柄的短錐和端面很容易與主軸相應(yīng)結(jié)合面緊密接觸，具有很高的聯(lián)結(jié)精度和剛度。當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，盡管主軸端會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)張，短錐的收縮得到部分伸張，仍能與主軸錐孔保持良好的接觸，主