哈爾濱中天數(shù)控工具有限責(zé)任公司
公司網(wǎng)站：www.www.hmniuwr.cn
服務(wù)熱線：0451-82340716
服務(wù)熱線：0451-82340716
在數(shù)控機床上進行切削加工時，刀具裝在刀柄的前端，刀柄的后端，常用的普通7:24圓錐刀柄（這種錐度我國JT，國際ISO、德國DIN,日本BT標(biāo)準(zhǔn)等均采用之）插在主軸中心的圓錐孔里。圓錐柄與圓錐孔的定位簡捷方便，對中性好，故得到廣泛應(yīng)用。長錐孔的定位限制了被定位件的五個自由度，僅剩下一個回轉(zhuǎn)自由度。沿主軸中心的軸向自由度理論上也被限制了，但由于錐面精度控制、變形、摩擦等因索影響，軸向定位精度不夠高。這在一定程度上也影響了徑向定位精度。故先進國家和一些大刀柄公司開發(fā)了軸向也能穩(wěn)定定位的定位裝夾方法。也就是圓錐面〔部分或是圓柱面）和端面同時定位（稱兩面定位）的方法。圓錐面和端面同時定位時，此時軸向自由度應(yīng)由端面來限制。但圓錐面也要限制軸向自由度，這樣會造成位置不確定的過定位問題，此向題應(yīng)通過提高相互位置精度、錐面的退讓和變形來協(xié)調(diào)解決。現(xiàn)兩面定位系統(tǒng)已有瑞典SANDVIK公司的VORILOCK系統(tǒng)、美國KENNAMATAL公司的KM系統(tǒng)、德國KOMET公司的ABS系統(tǒng)及瑞士SWISS BORE公司的圓柱楔銷系統(tǒng)等，由于各公司開發(fā)的系統(tǒng)都有專利保護，通用性及推廣使用受限。但德國MAPAL公司和GURING公司聯(lián)合開發(fā)的HSK系統(tǒng)已被確定為德國DIN標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已廣泛地被各國采用。HSK系統(tǒng)為中空錐柄膨脹收縮型夾緊系統(tǒng)，以錐柄的微變形達到軸向移動在端面同時定位，它具有1:10小錐度，可適用于10,000r/min以上的高速旋轉(zhuǎn)，軸向重復(fù)定位精度高達1μm，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價格較貴。另一方面，國內(nèi)外有四家公司在標(biāo)準(zhǔn)的7:24刀柄的基礎(chǔ)上，對刀柄加以改進，同時讓它實現(xiàn)長圓錐定位和軸向端平面定位。三家公司改進的方向和途徑不同。現(xiàn)分述以比較。
圖1 普通刀柄和BIG-PLUS刀柄安裝情況(鼠標(biāo)懸浮窗口放大，單擊查看放大全圖)
1. BIG-PLUS兩面定位主軸系統(tǒng)
提高錐角精度、形狀精度和直徑精度，精確控制變形量，使錐孔錐柄密切結(jié)合定位的同時，通過錐柄強制拉入，柄與孔的極微小變形，使刀柄移動，其法蘭端面接觸靠緊主軸孔端面，在軸向的位置靠此兩端面接觸而定位。這是日本大昭和精機公司開發(fā)的，他們稱之為BIG-PLUS兩面定位主軸系統(tǒng)。利用了主軸的彈性變形以及完全嚴格的定位管理，實現(xiàn)了兩面定位功能。BIG-PLUS刀柄也可以用于原有的BT規(guī)格的機床主軸，不過此時并沒有兩面定位功能，如果要發(fā)揮兩面定位功能，需要同時使用BIG-PLUS主軸和BIG-PLUS刀柄。他們同時指出；如果使用BIG-PLUS以外的刀柄，可能會對主軸造成傷害。因此如果機床公司在制造機床時，預(yù)先應(yīng)按BIG-PLUS精度要求制造主軸，成為BIG-PLUS主軸，就可直接安裝BIG-PLUS刀柄，實現(xiàn)兩面定位。實體的刀柄剛性很大，很難變形，機床主軸是關(guān)鍵零件，決定刀具或工件的位置，不應(yīng)有較大的變形。為在一個很小的彈性變形下，正好端面和錐面同時貼緊，實現(xiàn)兩面定位，故二者的精度要求很高，也就是錐孔和錐柄已完全接觸時，主軸端面和刀柄的法蘭端面尚未接觸，但距離應(yīng)很小，約0.01-0.012mm，因為是實體刀柄，允許的變形量和刀柄拉動距離很小。經(jīng)拉釘強迫拉動刀柄才使兩端面接觸，實現(xiàn)兩面定位。圖1中，BIG-PLUS主軸和BIG-PLUS刀柄即是此情況。而BIG-PLUS刀柄插入一般BT主軸孔，錐體互相靠緊后，兩端面間距離約達1.5mm，拉力難以彌合它們間的這段距離，也就是不能實現(xiàn)兩面定位的。順便說一下，若是兩個普通7:24刀柄和主軸錐孔接觸時，兩端面間距離大致為2-3mm。在本文介紹的三種方法中這個初裝距離是最小的。現(xiàn)在采用BIG-PLUS系統(tǒng)的機床公司有日本國內(nèi)50家，其他國家19家。有了許多家機床公司的支持，促進了這項技術(shù)的推廣。為了區(qū)分普通刀柄和BIG-PLUS刀柄，在牌號標(biāo)記上應(yīng)注明；如普通BT50標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)標(biāo)明為BBT50。BT標(biāo)準(zhǔn)是日本標(biāo)準(zhǔn)。符合德國DIN-69871A標(biāo)準(zhǔn)的大昭和公司也生產(chǎn)稱DV50（即SK50)應(yīng)標(biāo)明為BDV50。
BIG-PLUS刀柄也包括其他兩面定位的刀柄，一般有以下優(yōu)點：
?。?)剛性大為增加了，按材料力學(xué)原理，懸伸梁（刀具和刀柄）支承處承受最大的彎矩，該處的直徑越大，截面積越大，抗彎剛性也越大。兩面定位的一般圓錐刀柄如附表所示，實現(xiàn)了兩面定位后，則使支承處的截面直徑由錐體大徑增至刀柄的法蘭外徑，各種規(guī)格的增大值見附表。
我國的JT刀柄標(biāo)準(zhǔn)同DIN69871和ISO7388/1-A，即同SK。它們的圓錐大徑尺寸和附表所示是一致的。即JT30、JT40、JT50分別為31. 75mm，44.45mm, 69.85mm。但法蘭的外徑則略有不同。
分別為50mm, 63.55mm, 97.5mm。定位安裝的抗彎剛性的增大，使加工精度得以提高，加工表面粗糙度值減小。
（2）由于軸向被定位，且被拉釘拉緊。故可抑止高速轉(zhuǎn)動時軸向尺寸的變動、重切削時的振動、圓錐面的微動磨損和其他損傷。
?。?）自動換刀時，兩面定位比單純錐面定位重復(fù)定位精度高。
?。?）高速回轉(zhuǎn)時，溫度上升，主軸錐孔向外膨脹，非兩面定位的刀柄會因此松動。而兩面定位系統(tǒng)會因錐形刀柄的彈性恢復(fù)，使二者繼續(xù)貼緊保持定位作用，保持良好的剛性和加工狀態(tài)。
由于以上原因，兩面定位的刀柄和所安裝刀具的加工效率以及使用壽命均得以大幅提高。
圖2 BTF碟簧錐套兩面定位(鼠標(biāo)懸浮窗口放大，單擊查看放大全圖)
2. BTF碟簧錐套兩面定位
日研(NIKEN)、圣和(SHOWA)等所開發(fā)的在主軸圓錐孔和圓錐柄之間加入一組彈性零件——碟簧，使拉釘強迫刀柄與法蘭向后軸向移動靠緊機床主軸端面，碟簧變形，反抗變形的彈力上下壓緊錐孔和錐柄，使端面和錐面同時緊密接觸，實現(xiàn)兩面定位。兩家公司的結(jié)構(gòu)不盡相同。日研稱3LOCK SYSTEM，我國的北一圣和公司結(jié)合國內(nèi)情況改進了原圣和的結(jié)構(gòu)，開發(fā)了新的兩面定位（鎖緊）刀柄系統(tǒng)，代號為BTF（見圖2）。
加入彈性零件后，錐孔和錐柄及端面比較容易同時定位貼緊，它們之間初裝間隙最大可達0.4mm（刀柄主體最大移動量）。錐孔和錐柄的制造精度不必要求如BIG-PLUS刀柄那樣高。
圖3 AHO兩面定位機制(鼠標(biāo)懸浮窗口放大，單擊查看放大全圖)
3. AHO兩面定位機制
日本NT公司的中空AHO (Accurate Hollow)刀柄（見圖3)，外形和一般7:24錐度的圓錐刀柄完全一樣。但由于是中空的，降低了自身的剛性。拉釘強迫將錐柄拉進，使刀柄法蘭端面靠緊機床主軸端面時，中空的錐柄向里收縮變形，其彈性恢復(fù)力量使其緊緊靠向主軸中孔錐面。刀柄法蘭距主軸端面的初裝距離，即刀柄被拉進后錐柄，錐孔己完全貼合，法蘭端面和主軸端面間的距離。此距離可較大，約介于上二者間，據(jù)不同尺寸規(guī)格而異．在高速回轉(zhuǎn)時，由于離心力主軸中孔會擴大，刀柄錐面的彈性恢復(fù)力可使兩錐面始終保持貼緊定位。因變形量較大，恢復(fù)力也大。故可在更高的速度條件下，兩錐面始終保持緊密定位，從而能維持正常切削加工。
中空是否會影響刀柄的強度和剛性呢，NT公司做了試驗，因為錐面外徑?jīng)]有改變，可承受的最大彎矩、最大轉(zhuǎn)矩變化不大，安全系數(shù)足夠大。且整個刀柄的重量下降，主軸軸承負荷減輕，ATM（自動換刀機構(gòu)）負荷減輕，換刀速度加快，刀柄的安裝使用也方便了。
NT公司將兩面定位的AHO的BT刀柄和一般BT刀柄在重復(fù)軸向安裝精度和徑向安裝精度上進行了比較：軸向精度波動范圍比，二者分別為1.5：6，徑向精度波動范圍比，二者分別為0.5：2.5。
由于安裝剛性的提高，AHO刀柄有可能以更大的切削用量、更高的加工效率進行加工。NT公司做了安裝面銑刀進行平面加工的比較試驗。AHO的BT40和一般BT40刀柄都裝上直徑為100mm的面銑刀，指定了轉(zhuǎn)數(shù)和進給速度(n=480 r/min, Vf=480mm/min)，試驗時，不斷地增大切深，直到發(fā)生振頗。一般的刀柄切深增大2mm時發(fā)生了振順，而AHO刀柄增大3.5mm時才發(fā)生。這說明AH0刀柄的切削能力比一般的高38%。同樣的試驗方法比較AHO的BT50刀柄和一般BT50刀柄，它們安裝φ125mm面銑刀，切削用量為n=250r/min，Vf=300mm/min固定不變。同樣不斷地增大切深，結(jié)果AHO的切深比一般的要高53%，才發(fā)生振頗。同樣的試驗方法測定安裝立銑刀加工零件側(cè)面，AHO的和一般的兩種BT40刀柄的前端，采用不同夾緊原理的夾頭，如用熱脹冷縮式和強力鎖緊式夾頭夾持立銑刀，轉(zhuǎn)數(shù)和進給速度也不變，逐次改變側(cè)面的切深。結(jié)果AH0刀柄的切削能力分別比一般刀柄分別高50%和33%。
那么如何使用AHO刀柄呢？由于它是中空零件，變形量可較大，不必如BIG-PLUS刀柄系統(tǒng)那樣，精度做得特別高。實際使用時，有兩種方法。
一是如BIG-PLUS刀柄系統(tǒng)一樣，專做出BIG-PLUS主軸，不同的規(guī)格分別配上即可。如BT標(biāo)準(zhǔn)BIG-PLUS系統(tǒng)的主軸、刀柄分別冠以BBT主軸、BBT刀柄一樣，NT公司的AHO系統(tǒng)的主軸和刀柄代號冠以NBT。按NT公司要求的尺寸精度制作的NBT主軸，安裝AHO刀柄即可直接實現(xiàn)兩面定位，但制造精度可比BBT的低很多。
二是在普通BT標(biāo)準(zhǔn)主軸的情況下，應(yīng)用一專門的帶測量附件的標(biāo)準(zhǔn)圓錐心棒量儀插入機床主軸圓錐孔，測出其法蘭距主軸端面的距離，這個距離實際反映了該主軸圓錐孔實際的錐角、錐形、大徑等綜合誤差影響端面間初裝距離的情況。據(jù)此配制AHO刀柄法蘭面厚度，使其達到初裝時應(yīng)有的間隙數(shù)值。再經(jīng)拉釘?shù)臓坷瑰F面合理恰當(dāng)?shù)刈冃?，同時端面靠緊實現(xiàn)兩面定位。BT30、BT40、BT50主軸錐孔大徑處距主軸端面規(guī)定應(yīng)有的距離和公差有所不同，AHO刀柄法蘭端面距機床主軸端面規(guī)定的初裝距離和公差，此三規(guī)格亦有所不同。分別按NT公司規(guī)定的尺寸公差配制，即可順利實現(xiàn)兩面定位安裝。AHO中空的結(jié)構(gòu)還可方便地安裝冷卻油管，將冷卻潤滑液送到切削區(qū)域，而改善了加工條件。
4.結(jié)語
如前所述，這三種方法均實現(xiàn)了兩面定位，但它們各自的優(yōu)缺點也非常突出：
NT公司的AHO中空刀柄精度變形量適中，定位安裝可靠，省材料，重量輕，主軸軸承負荷小，更適合高速切削，節(jié)省動力。自動換刀快，人工操作也省力。根據(jù)計算，一臺機床使用AHO刀柄，可省電1,152kWh,相當(dāng)于少排放二氧化碳438kg。但刀柄的制造費稍高些。
BIG-PLUS刀柄和主軸兩者精度要求均高，允許誤差約僅為AHO刀柄的1/2和1/3。因為刀柄是實體，重量大剛性大，只許可很小的彈性變形以達到兩面定位。在加工中，刀柄刀具承受各方向動態(tài)的力量。刀柄在主軸孔中可能產(chǎn)生極微小的相對運動，造成微動磨損。變形且小，刀柄與錐孔互相貼合不夠緊，微動磨損較大時，錐面的定位作用就會下降。另外若工作時主軸溫度上升較高，旋轉(zhuǎn)速度更高時，主軸因過熱和離心力而膨脹，錐面的定位作用也會下降。拉緊力小時，也難以使用。因此應(yīng)該在推介的條件下使用。
3LOCK SYSTEM和圣和的兩面定位系統(tǒng)都因為加了一組碟簧，實現(xiàn)兩面定位時，可產(chǎn)生較大的變形量。因此主軸孔和刀柄的精度要求可稍低，制造方便，但多了一個或多個零件，零件的增加會造成誤差的積累。錐部的斜傾結(jié)構(gòu)使碟簧較難均勻壓緊，特別在承受夸曲負荷時錐形的碟簧套易動，有可能使整體的剛性和精度下降。長時間使用碟簧的動作和功能會因灰塵、生銹、微動磨損及損傷等而不良失效。其重量比實體圓錐刀柄稍輕，也較重。
另外，正河源公司還在測得初裝距離后，加裝適當(dāng)厚度的墊片來實現(xiàn)兩面定位，也是較易實現(xiàn)的方法。厚度的尺寸與精度控制很重要。
如前所述，幾種方法都能實現(xiàn)兩面定位，并由此帶來的許多加工中的好處，很值得推廣使用。
來源：中國刀具商務(wù)網(wǎng)
