高速銑床主軸與聯(lián)結

1、高速機床主軸高速機床主軸刀具聯(lián)結的設計刀具聯(lián)結的設計摘要摘要：分析了主軸高轉速對刀軸聯(lián)結強度的影響及高速加工對刀軸聯(lián)結的基本要求、現(xiàn)行724錐度聯(lián)結存在的問題，介紹了幾種國外典型刀軸聯(lián)結的設計方案，并對各種結構的優(yōu)缺點進行了研究。關鍵詞關鍵詞：高速機床主軸刀軸聯(lián)結設計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)點是能減少加工時間，達到普通加工需要幾道工序才能達到的加工精度和表面質量。與高速切削有關的主要問題有：刀具材料

2、及設計、高速機床主軸的動平衡、機床的熱態(tài)動態(tài)性能及可靠性等。而刀具與主軸的聯(lián)結問題會嚴重影響高速切削的可靠性及機床主軸的動平衡，已成為限制高速切削的薄弱環(huán)節(jié)之一。一、高速切削對刀一、高速切削對刀軸聯(lián)結要求軸聯(lián)結要求高速加工要求確保高速下主軸與刀具聯(lián)結狀態(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膨脹，膨脹量的大小隨著旋轉半徑與轉速的增大而增大，標準的724實心刀柄膨脹量較小，因此標準錐度聯(lián)結的剛度會下降，在拉桿拉力的作用下

3、，刀具的軸向位置會發(fā)生改變(見圖1)。主軸的膨脹還會引起刀具及夾緊機構質心的偏離，從而影響主軸的動平衡。要保證這種聯(lián)結在高速下仍有可靠的接觸，需有一個很大的過盈量來抵消高速旋轉時主軸軸端的膨脹，如標準40號錐需初始過盈量為15～20μm，再加上消除錐度配合公差帶的過盈量(AT4級錐度公差帶達13μm)，因此這個過盈量很大。這樣大的過盈量需拉桿產生很大的拉力，拉桿產生這樣大的拉力一般很難實現(xiàn)，對換刀也非常不利，還會使主軸端部膨脹，對主軸前

4、軸承有不良影響。圖1在高速離心力作用下主軸擴張圖在高速離心力作用下主軸擴張圖高速加工對動平衡要求非常高，不僅要求主軸組件需精密動平衡(G0.4級以上)，而且刀具及裝夾機構也需精密動平衡。但是，傳遞轉矩的鍵和鍵槽很容易破壞動平衡，而且，標準的724錐柄較長，很難實現(xiàn)全長無間隙配合，一般只要求配合面前段70%以上接觸，因此配合面后段會有一定的間隙，該間隙會引起刀具徑向跳動，影響結構的動平衡。鍵是用來傳遞轉矩和進行角向定位的，為解決鍵及鍵槽引

5、起的動平衡問題，可以嘗試研究一種刀軸聯(lián)結實現(xiàn)在配合處產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計，換刀時要使兩部分齒形精確嚙合需較長調整時間，影響換刀速度。Svik公司的三棱錐結構：這種刀柄不是圓錐形，而是三棱錐，其棱為圓弧形，錐度為120的空心短錐結構。實現(xiàn)了錐面與端面同時接觸定位，三棱結構可實現(xiàn)轉矩傳遞，不再需要傳動鍵，消除了因傳動鍵和鍵槽引起的動平衡問題。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，配合會自鎖。KM系列：采用110短錐配合，錐柄的長度僅為標準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定位而產生的干涉問題，刀柄設計成中空的結構，在拉桿軸向拉力作用下，短錐可徑向收縮，實現(xiàn)端面與錐面同時接觸定位。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準的724長錐配合所需的精度低。與其它類型的空心錐聯(lián)結相比，相同法蘭外徑采用的錐柄直徑較小，主軸錐孔在高速

7、旋轉時的擴張小，高速性能好。這種系統(tǒng)的主要缺點是，主軸端部需重新設計，與傳統(tǒng)的724錐聯(lián)結不兼容；短錐的自鎖會使換刀困難；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現(xiàn)，這樣增加了刀具的懸伸量，對于聯(lián)結剛度有一定的削弱。由于端面接觸定位是以空心短錐和主軸變形為前提實現(xiàn)的，主軸的膨脹會惡化主軸軸承的工作條件，影響軸承的壽命。HSK刀柄：這種結構是由德國阿亨大學機床研究室(WZL)專為高速機床主軸開發(fā)的一種刀軸聯(lián)結結構，已

8、被DIN標準化。HSK短錐刀柄采用1∶10的錐度，它的設計近似于KM系列，它的錐體比標準的724錐短，錐柄部分采用薄壁結構，錐度配合的過盈量較小，對刀柄和主軸端部關鍵尺寸的公差帶特別嚴格，由于短錐嚴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結合面緊密接觸，具有很高的聯(lián)結精度和剛度。當主軸高速旋轉時，盡管主軸端會產生擴張，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