陳萃，紀(jì)義國(guó)

(空軍航空大學(xué) 航空軍械工程系，長(zhǎng)春 130022)

高速切削(High Speed Cutting)和高速加工(High Speedmachining)分別簡(jiǎn)稱HSC和HSM，是近些年迅速崛起的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。由于其得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在現(xiàn)代機(jī)密、超精密加工中搶占了十分重要的地位。高速切削技術(shù)使汽車(chē)、模具、飛機(jī)、輕工和信息等行業(yè)的生產(chǎn)率和制造質(zhì)量顯著提高，加工工藝及裝備進(jìn)一步更新優(yōu)化，如同數(shù)控技術(shù)一樣，高速切削和高速加工已經(jīng)成為21世紀(jì)機(jī)械制造行業(yè)的一次影響深遠(yuǎn)的技術(shù)革命。特別是在解決難切削加工的材料加工的問(wèn)題上，給人們提供了新的研究方向，是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。

隨著對(duì)高速切削技術(shù)的研究以及該技術(shù)的進(jìn)一步成熟和發(fā)展，一些細(xì)節(jié)上的問(wèn)題逐步映入人們的視野。其中一個(gè)重要的關(guān)鍵點(diǎn)就是如何解決刀具與刀柄、刀柄與主軸的連接問(wèn)題，也就是說(shuō)如何保證三者所組成的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的剛性和動(dòng)平衡的問(wèn)題。能否解決好上述問(wèn)題已經(jīng)成為高速切削和高速加工中，獲得令人滿意的加工精度和表面粗糙度的重要因素。本文就此提出了一種解決該問(wèn)題的方法，實(shí)現(xiàn)了一種新型智能刀柄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 高速切削加工對(duì)刀柄性能的要求

刀柄的功能主要是解決刀具與主軸的連接問(wèn)題。如果處理不好，就會(huì)嚴(yán)重影響高速切削加工的可靠性以及機(jī)床主軸的動(dòng)平衡，引起刀具的振動(dòng)，對(duì)切削加工的精度和工件表面粗糙度以及機(jī)床主軸軸承的使用壽命產(chǎn)生極其不利的影響。因此，研究、設(shè)計(jì)和正確使用刀柄，是實(shí)現(xiàn)高速切削加工的一個(gè)核心問(wèn)題。

高速切削加工要求刀柄應(yīng)具有較高的重復(fù)定位精度、較小的徑向跳動(dòng)量、較大且可靠的夾緊力、較好的剛性和動(dòng)平衡性等優(yōu)點(diǎn)。

2 高速切削加工中刀柄的使用

2.1 高速切削加工中由于高轉(zhuǎn)速所引發(fā)的問(wèn)題

在高速主軸系統(tǒng)中，任何旋轉(zhuǎn)體的不平衡都會(huì)產(chǎn)生離心力，隨著轉(zhuǎn)速的增加，離心力以平方的關(guān)系迅速增大，包括刀柄在內(nèi)的高速切削刀具系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生離心力，在高速主軸的設(shè)計(jì)和高速切削機(jī)床的應(yīng)用過(guò)程中必須充分考慮和解決刀具系統(tǒng)的離心力的問(wèn)題，這一點(diǎn)在傳統(tǒng)切削加工中是不必給予如此重視的。

高速切削加工要求確保在高速下主軸與刀具的連接狀態(tài)不發(fā)生變化，但是主軸前端的錐孔在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下，由于離心力的作用會(huì)發(fā)生膨脹現(xiàn)象，其膨脹量的大小隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。但與之裝配的刀柄的膨脹量卻很小，這樣總的錐度連接剛性會(huì)降低并且引起徑向間隙的出現(xiàn)。因此，這將會(huì)影響主軸的動(dòng)平衡與刀具的徑向跳動(dòng)。

2.2 傳統(tǒng)的7:24錐度實(shí)心長(zhǎng)刀柄用于高速切削加工所存在的問(wèn)題

目前，應(yīng)用最為廣泛是當(dāng)屬標(biāo)準(zhǔn)7:24錐度實(shí)心長(zhǎng)刀柄，這種刀柄與主軸的連接完全是依靠錐度定位來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一般只要求前段的 70%以上的接觸率，而后段往往存在一定的間隙。由此引發(fā)了其在高速切削應(yīng)用中的一連串的問(wèn)題：

(1)刀具動(dòng)、靜剛度底，刀柄與主軸一起高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于主軸軸孔膨脹現(xiàn)象的存在，會(huì)是刀柄與主軸前段出現(xiàn)間隙，會(huì)使得原本只靠錐度連接的低剛性連接剛度進(jìn)一步降低。其情況如圖 1所示。

圖1 主軸前段膨脹產(chǎn)生機(jī)理Fig.1 The made mechanism of expanding forepart of principal-axis

(2)動(dòng)平衡性能差，標(biāo)準(zhǔn)7:24錐度實(shí)心長(zhǎng)刀柄的錐度比較長(zhǎng)，很難實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)無(wú)間隙配合，刀柄后段存在間隙。正是由于這種間隙的存在，引起刀具的徑向跳動(dòng)，影響主軸系統(tǒng)的動(dòng)平衡。

(3)重復(fù)定位精度低，由于錐度較長(zhǎng)，難以保證每次換刀后刀柄與錐孔結(jié)合的一致性。

2.3 針對(duì)傳統(tǒng)的7:24錐度實(shí)心長(zhǎng)刀柄的優(yōu)化以及引發(fā)的問(wèn)題

為了適應(yīng)高速切削加工對(duì)刀柄的要求近些年來(lái)各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，相繼研究開(kāi)發(fā)了多種新型刀柄，其中最具有代表意義的應(yīng)屬德國(guó)的HSK系列刀柄、美國(guó)的 KM 系列刀柄和日本的 BIG-PLUS系列刀柄。所采取的改進(jìn)舉措通常是：法蘭面與錐面的過(guò)定位連接、改用1:10小錐度、使用空心短柄結(jié)構(gòu)。

采用法蘭面與錐面的過(guò)定位連接的目的是提高軸向重復(fù)定位精度。從某種意義上來(lái)說(shuō)，這是提高軸向重復(fù)定位精度最為有效的方法。但就其應(yīng)用來(lái)說(shuō)，存在這嚴(yán)重的弊端。因?yàn)椴捎眠^(guò)定位安裝，必須嚴(yán)格控制錐面基準(zhǔn)線與法蘭端面的位置精度，與之相應(yīng)的主軸也必須控制這一軸向精度，殘酷的提高了制造工藝的難度。一般來(lái)說(shuō)，采用這種過(guò)定位安裝的主軸是不允許修復(fù)重磨的，因?yàn)橹啬ブ鬏S會(huì)引起錐度直徑的超差，進(jìn)而影響夾緊機(jī)構(gòu)的壓緊位置。通常從保護(hù)主軸的角度出發(fā)，刀柄材料選用硬度低于主軸的材料，迫使刀柄主動(dòng)磨損。但由于刀柄的加工精度要求非常高，重磨的費(fèi)用極其昂貴，且易造成刀柄的完全報(bào)廢，因此其經(jīng)濟(jì)性能很差。并且由于在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，主軸存在膨脹現(xiàn)象，采用這種結(jié)構(gòu)是所出現(xiàn)的徑向間隙是一個(gè)讓人很頭疼的問(wèn)題。

改用1:10的小錐度可以提高刀柄與主軸的連接剛度。與傳統(tǒng)的7:24錐度相比，其楔形效果好，能夠提供較強(qiáng)的抗扭能力，由于1:10的錐度很小，錐柄接近與直柄，存在著自鎖現(xiàn)象，所以每次卸刀柄時(shí)都需要一個(gè)附加的卸出力，這樣會(huì)加劇主軸與刀柄的磨損。通常1:10小錐度刀柄都是采用法蘭面與錐面的過(guò)定位連接方式來(lái)提高軸向定位精度，因此，主軸與刀柄的修復(fù)重磨也是一個(gè)不可小窺的問(wèn)題。

采用空心短柄結(jié)構(gòu)，這種刀柄的長(zhǎng)度約為標(biāo)準(zhǔn)7:24錐柄長(zhǎng)的1/3。由于配合用的錐度較短，在加之采用空心結(jié)構(gòu)，從某種意義上來(lái)說(shuō)，部分地解決由法蘭面與錐面過(guò)定位連接所產(chǎn)生的干涉的問(wèn)題，同時(shí)也清除了傳統(tǒng)7:24刀柄連接時(shí)所產(chǎn)生后半段的間隙的問(wèn)題。因?yàn)榈侗锌眨诶瓧U軸向拉力的作用下，刀柄可以徑向收縮，實(shí)現(xiàn)法蘭面與錐面的同時(shí)接觸定位，這樣可以降低對(duì)法蘭面與錐面過(guò)定位結(jié)構(gòu)對(duì)加工精度的要求，同時(shí)也降低了刀柄修復(fù)重磨的難度。但正是由于刀柄中空，所以不能直接用來(lái)夾緊刀具，需要在刀柄的法蘭上另外加設(shè)刀具夾緊機(jī)構(gòu)，無(wú)形中的增加了刀具的懸伸量，對(duì)連接剛度產(chǎn)生不良影響。法蘭面的定位是以刀柄和主軸軸孔變形為前提來(lái)實(shí)現(xiàn)的。增加了相同轉(zhuǎn)速的條件下主軸的膨脹量，導(dǎo)致主軸軸承工作條件的嚴(yán)重惡化。短錐的應(yīng)用帶來(lái)的另一個(gè)結(jié)果就是降低了刀柄和主軸連接的同軸度，為了能夠獲得較好的同軸度，又必須在加工精度上提出較為嚴(yán)格的要求，因此原本對(duì)加工精度要求低的優(yōu)點(diǎn)又變得模糊了。

3 新型智能刀柄的設(shè)計(jì)

3.1 刀柄設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)

本款刀柄設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)主要是立足于國(guó)內(nèi)的制造工藝現(xiàn)狀，通過(guò)增加智能檢測(cè)和控制系統(tǒng)來(lái)提高刀柄的高速性能。主要從以下幾個(gè)方面來(lái)解決傳統(tǒng)7:24實(shí)心長(zhǎng)刀柄在高速加工中存在的問(wèn)題。

3.2 刀具夾持結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在高速切削加工中，應(yīng)用較為廣泛的刀具夾持結(jié)構(gòu)主要有三種：熱裝夾、三棱變形裝夾和液壓裝夾。

這三種夾持方式均可以保證刀柄具有較高的剛度以及良好的動(dòng)平衡特性，也都具有對(duì)稱性好、精度高、刀具軸向位置可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。

但從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，筆者認(rèn)為熱裝夾最為適合于高速切削加工的應(yīng)用，這是因?yàn)椋喝庾冃窝b夾的夾頭加工難度很大，在高速加工中應(yīng)用時(shí)必須對(duì)其加工精度有較高的要求，在價(jià)格方面存在較大的劣勢(shì)。液壓夾頭相對(duì)與另外兩種來(lái)說(shuō)屬于有夾緊元件的夾頭，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且其夾緊力比另外兩種小，不適合銑削加工，再有就是其價(jià)格過(guò)于高昂。

3.3 主軸前段膨脹徑向間隙清除的方法

如前所述，在高速切削加工中，主軸的前段存在著膨脹現(xiàn)象，這回使得刀柄與主軸前段的配合產(chǎn)生徑向間隙。這種間隙的存在對(duì)高速切削加工是十分不利的，它不但會(huì)影響到加工工件的質(zhì)量，而且還會(huì)加劇刀具、刀柄以及主軸的磨損。必須采取一定的措施予以清除。這里采用的方法是使刀柄受迫變形的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其具體過(guò)程為：在刀柄的軸向上施加一個(gè)恒定的力(力的大小是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法得到的)，當(dāng)力作用在刀柄的法蘭面上時(shí)，由于彈性形變，刀柄的徑向會(huì)變大，利用這個(gè)徑向變形量來(lái)填補(bǔ)刀柄與主軸前段的徑向間隙。其原理如圖2所示。

圖2 刀柄與主軸前段徑向間隙的清除原理圖Fig.2 The eliminated principle of radial clearance between knife-handle and forepart of principal-axis

3.4 關(guān)于保證軸向重復(fù)定位精度的問(wèn)題的解決

在刀柄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，人們所關(guān)心的一個(gè)最為重要的問(wèn)題就是如何提高刀柄安裝的軸向重復(fù)定位精度，這對(duì)換刀具有非常重要的意義。

本設(shè)計(jì)中，不是以提高軸向重復(fù)定位精度為前提的。而是以如何檢測(cè)刀柄的軸向位置為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行刀具的軸向位置補(bǔ)償來(lái)提高其實(shí)際軸向定位的精度。其具體方法是將油缸與主軸軸套固聯(lián)，這樣油缸與主軸端面的相距距離就變成了一個(gè)已知量，通過(guò)位置傳感器可以測(cè)得刀柄的法蘭面與油缸間的距離。進(jìn)而得到刀具加工點(diǎn)與主軸端面的距離。這樣做有兩個(gè)好處。一是清除了由采用法蘭面與錐面的過(guò)定位連接所引發(fā)的一系列缺點(diǎn)，二是在加工過(guò)程中檢測(cè)是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

3.5 清除主軸單元?jiǎng)硬黄胶獾拇胧?/h3>

主軸單元?jiǎng)硬黄胶獍ǖ侗膭?dòng)不平衡、主軸的動(dòng)不平衡、刀柄與主軸連接的動(dòng)不平衡的問(wèn)題。這里假設(shè)刀柄與主軸都是經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡處理的，主要解決的是刀柄與主軸連接所引起的動(dòng)不平衡的問(wèn)題。

圖3 刀柄前端調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 The adjusting system configuration of forepart of knife-handle

解決旋轉(zhuǎn)體動(dòng)不平衡的方法主要有添加或切去部分質(zhì)量和改變旋轉(zhuǎn)體內(nèi)部的質(zhì)量分布等兩種方法。其中應(yīng)用較多的是切去部分質(zhì)量和改變質(zhì)量分布的方法，前一種通常是在刀具和刀柄的制造過(guò)程中進(jìn)行，由生產(chǎn)商完成的。后一種被用來(lái)進(jìn)行刀柄與主軸連接后的動(dòng)平衡的處理，這時(shí)可以用兩種來(lái)進(jìn)行對(duì)主軸刀柄單元進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整，即手動(dòng)調(diào)整和自動(dòng)在線調(diào)整，其中手動(dòng)調(diào)整較為繁瑣，浪費(fèi)了大量的加工時(shí)間。自動(dòng)調(diào)整具有調(diào)整精度高，調(diào)整時(shí)間短等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到了廣大用戶的一再好評(píng)。

圖4 刀柄徑向剖視圖Fig.4 The radial cutaway view of knife-handle

關(guān)于動(dòng)平衡的問(wèn)題，采用添加部分質(zhì)量和改變其質(zhì)量分布相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具體的作法是在刀柄的圓柱面上加工8個(gè)關(guān)于軸對(duì)稱的深孔，在調(diào)整過(guò)程中，根據(jù)外部傳感器的測(cè)量結(jié)果，判斷刀柄的質(zhì)量分布情況，向8個(gè)孔中的一個(gè)或兩個(gè)中添加一定質(zhì)量的液體，由于離心力的作用液體將會(huì)緊貼在孔的外端，以此來(lái)調(diào)整刀柄的動(dòng)平衡。其徑向剖視圖如圖4所示。

3.6 智能刀柄控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際需要現(xiàn)將智能刀柄的控制系統(tǒng)框圖給出，其內(nèi)容如圖5所示。

圖5 智能刀柄控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The control-system configuration of Intelligent knife-handle

4 結(jié)束語(yǔ)

在借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，立足于我國(guó)的刀具、材料、機(jī)床性能、技術(shù)條件，完成了一款可以滿足大多數(shù)加工需求的智能刀柄的設(shè)計(jì)工作?？梢灶A(yù)見(jiàn)，今后在刀柄自帶平衡裝置和減振裝置、多功能智能型刀柄、整個(gè)刀具系統(tǒng)的全自動(dòng)在線平衡系統(tǒng)等方面將有較大的發(fā)展空間。

[1]張伯霖，楊慶東，陳長(zhǎng)年.高速切削技術(shù)及應(yīng)用[J].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]董廣強(qiáng)，王貴，裴宏杰，等.高速加工中刀柄結(jié)構(gòu)分析[J].2005.

[3]Engene.Kocherovsky E.HSK：Characteristics And Capabilities[EB/OL].http：//www.hskworld.com/articles/characterristics_and_capabilities.htm，2001.

[4]田春林，楊海萍，范景峰，等.高速研磨表面加工硬化的研究[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，28(4)：1921.