張偉巍

(山西省機(jī)械電子工業(yè)行業(yè)管理辦公室，山西 太原 030001)

目前，高速加工技術(shù)的快速發(fā)展為高速機(jī)床的研發(fā)以及實(shí)際應(yīng)用提供了重要的保障，同時(shí)，高速的加工技術(shù)對(duì)于機(jī)床的性能也提出了相應(yīng)的要求。高速機(jī)床主要由高速數(shù)控系統(tǒng)、高速工具系統(tǒng)、高速進(jìn)給系統(tǒng)以及高速加工檢測(cè)系統(tǒng)等多個(gè)部分構(gòu)成，高速機(jī)床在性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)床[1]。高速機(jī)床的工具系統(tǒng)的作用是連接機(jī)床的主軸與刀具，主要包含主軸、刀具、刀柄以及夾緊機(jī)構(gòu)等幾個(gè)組成部分，其核心部件是連接刀柄。從機(jī)床工業(yè)高速發(fā)展以來(lái)，傳統(tǒng)的BT 工具系統(tǒng)在機(jī)械加工行業(yè)（尤其是機(jī)床加工行業(yè)）發(fā)揮了重要的作用。但是，在高速加工技術(shù)快速發(fā)展的同時(shí)，對(duì)于系統(tǒng)的加工精度以及速度性能要求的提高，由于本身的缺陷，BT 工具系統(tǒng)已經(jīng)不能夠適應(yīng)目前的加工要求。目前，包括我國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家對(duì)于高速加工的新型工具系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的研究，并且在理論以及實(shí)際應(yīng)用方面都取得了巨大的成功。同時(shí)，在高速加工的條件下，機(jī)床與刀具的連接系統(tǒng)又存在著很多亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題：首先刀具系統(tǒng)微小的不平衡性會(huì)導(dǎo)致巨大的離心力，造成機(jī)床系統(tǒng)整體工作的不穩(wěn)定，對(duì)于產(chǎn)品的品質(zhì)以及機(jī)床刀具的壽命都具有不利的影響；其次，傳統(tǒng)機(jī)床的連接方式已經(jīng)不能夠滿足高速機(jī)床連接系統(tǒng)的精度以及剛度要求。因此，文中主要對(duì)高速工具的系統(tǒng)特性進(jìn)行深入的研究分析。

1 高速機(jī)床工具系統(tǒng)概述

機(jī)床工具系統(tǒng)的基本功能主要是：能夠?qū)崟r(shí)保證機(jī)床中的刀具進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并能夠完成工作所需動(dòng)力以及運(yùn)動(dòng)位移的任務(wù)。從工具系統(tǒng)的基本功能分析，工具系統(tǒng)應(yīng)該能夠具備以下的基本功能：首先，刀具系統(tǒng)要能夠具備足夠的運(yùn)動(dòng)傳輸能力，在進(jìn)行加工的時(shí)候，刀具的最終受力都集中在刀具系統(tǒng)中，因此，要能夠保證刀具系統(tǒng)具備足夠的夾緊力；其次，工具系統(tǒng)應(yīng)該具備高速的運(yùn)動(dòng)能力，因?yàn)槠骷黄胶庠诟咚龠\(yùn)動(dòng)時(shí)候產(chǎn)生的巨大離心力會(huì)影響系統(tǒng)的定位準(zhǔn)確度；最后，良好的剛度、阻尼特性以及介質(zhì)傳遞能力對(duì)于系統(tǒng)的正常工作也具有重要的意義，因?yàn)樵诟咚龠\(yùn)轉(zhuǎn)中，工具系統(tǒng)發(fā)生變形必然導(dǎo)致刀具的位置發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，從而導(dǎo)致了加工精度的下降，良好的阻尼特性對(duì)于工具系統(tǒng)的動(dòng)剛性具有重要的影響，傳遞系統(tǒng)要能準(zhǔn)確及時(shí)傳輸在加工過(guò)程中機(jī)械、電氣等控制信號(hào)。此外，系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性以及可維護(hù)性等也是工具系統(tǒng)重要的性能要求[2]。

2 機(jī)床高速工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇及優(yōu)化

高速工具系統(tǒng)的優(yōu)越性能是以其先進(jìn)的結(jié)構(gòu)作為實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)的，優(yōu)化合理的結(jié)構(gòu)是保證高速工具系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要前提。在工具系統(tǒng)連接中，要求刀柄能在主軸中進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。因?yàn)槎ㄎ坏幕痉桨钢饕蕾囉诠ぞ叩妮S向截面，而工具軸向截面形狀的確定應(yīng)該綜合考慮軸向定位的精確度、磨損補(bǔ)償能力、制造的可行性等多個(gè)相關(guān)要素。高速機(jī)床的工具系統(tǒng)主要包含縱截面以及橫截面的形狀這兩個(gè)基本組成要素。

2.1 工具系統(tǒng)橫截面形狀的選擇

工具系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)傳遞能力主要依賴于刀柄橫截面的形狀，同時(shí)對(duì)于具有端面的工具系統(tǒng)其能力與端面的實(shí)際結(jié)構(gòu)也具有一定的關(guān)系。由以上的分析以及實(shí)際工程實(shí)踐總結(jié)，目前可以采用的刀柄橫截面的形狀主要有以下幾種，如圖1 所示。

圖1 常見(jiàn)刀柄橫截面形狀

圖1 中的第一種為方形截面的刀柄，其突出優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行鍵槽的設(shè)置就可以完成扭矩的直接傳遞，具有較好的剛度且不易發(fā)生變形。但是方形的截面具有對(duì)主軸孔以及刀柄的精度要求過(guò)高，工藝性較差的問(wèn)題，同時(shí)在扭矩傳遞的過(guò)程中，不同接觸面所收到的應(yīng)用大小不均勻，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)造成局部設(shè)備的損壞；第二種為圓形截面的刀柄具，其具有工藝性能優(yōu)越，并且具備較高的抗紐剛度的優(yōu)點(diǎn)；第三中為棱形截面的刀柄，三棱形的截面與方形截面一樣，具有無(wú)需設(shè)置扭矩傳遞鍵槽的優(yōu)點(diǎn)，在傳遞過(guò)程中所收到的應(yīng)力也較為均衡，但是同時(shí)存在刀具與主軸配合精度要求過(guò)高、公益性較差以及剛度不高的缺點(diǎn)；第四種為多齒花鍵截面的刀柄，多齒花鍵與三棱形相比較，剛度以及抗扭性能都有較大的提升，但是同樣存在著工藝性方面的問(wèn)題。以上分析的四種橫向截面的刀柄，在實(shí)際應(yīng)用中一般采用空心結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量較輕，自動(dòng)補(bǔ)償能力較強(qiáng)，便于安裝以及工藝性能較好的優(yōu)點(diǎn)，從扭矩的傳遞和工藝性以及平衡性等多個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，圓形的刀柄截面是較為理想的截面。

2.2 工具系統(tǒng)縱截面形狀的選擇

高速機(jī)床的工具系統(tǒng)主要完成定位以及夾緊兩個(gè)主要的功能，其中定位的目的是為了刀具在主軸中獲得準(zhǔn)確的位置。圖2 中顯示了柱體表面有端面以及無(wú)端面的集中截面選擇方案。

圖2 工具系統(tǒng)縱向截面柱體選擇方案

其中（a）圖與（b）圖屬于無(wú)端面定位，而（c）圖與（d）圖屬于有端面的定位方案。有端面的方案由于采用了端面的支撐使得刀柄的縱向剛度較高。（a）圖與（c）圖的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，在生產(chǎn)制造方面較為容易，但是同時(shí)存在著柱面配合長(zhǎng)度較大，裝卸困難的缺點(diǎn)；（b）圖與（d）圖采用的方案中主軸孔同時(shí)與兩個(gè)短柱面進(jìn)行配合，裝卸的行程因此比較短，裝卸較為方便。但是上面的四種方案對(duì)于5 種自由度都具有了一定的限制，軸向的定位精度以及剛度較高，但是依賴于刀柄的柱面與主軸之間的配合程度，不具備自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪芰Γ鲜龇桨溉匀粚儆诓煌瓿啥ㄎ环桨浮?/p>

錐面定位的情況下可以實(shí)現(xiàn)縱向的自動(dòng)補(bǔ)償功能，同時(shí)具有徑向定位精度較高而橫向定位精度偏低的特點(diǎn)。其中（a）圖與（b）圖采用了無(wú)端面的設(shè)計(jì)方案，其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，生產(chǎn)制造難度較小，而（c）圖與（d）圖采用了端面設(shè)計(jì)，生產(chǎn)制造的難度較高，裝卸也不方便。在進(jìn)行縱向截面方案選擇的時(shí)候，要能夠保證刀具與主軸接觸的相互配合，要能夠滿足足夠的盈余量，間隙適當(dāng)，制造精度要求也比較高。錐面截面選擇方案如圖3所示。

圖3 工具系統(tǒng)縱向截面椎體選擇方案

綜上說(shuō)述，在普通加床加工中由于主軸的轉(zhuǎn)速較低，因此可以選擇圖3 中的（a）方案設(shè)計(jì)；而在高速機(jī)床工具系統(tǒng)中則選擇圖3 中的（b）方案設(shè)計(jì)較為合理。

2.3 高速工具截面優(yōu)化方案選擇

在實(shí)際的工程產(chǎn)品研發(fā)中，主軸產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)類型較多，互換性能較差，給產(chǎn)品的使用以及維護(hù)方面都帶來(lái)了一定困難[3]。因此，通過(guò)以上的分析可以得知，在工具系統(tǒng)的縱向截面可以使用椎面形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證其良好的工藝性以及定位準(zhǔn)確、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓δ芴攸c(diǎn)；在橫向截面的方案選擇中采用圓形設(shè)置，在高速工具系統(tǒng)中圓錐面的應(yīng)用最為合理，最能夠反映工程實(shí)際的需求。

3 機(jī)床高速工具系統(tǒng)夾緊機(jī)構(gòu)受力分析

高速工具系統(tǒng)的夾緊機(jī)構(gòu)，采用了內(nèi)漲式的基本原理，最典型的應(yīng)用方案有球面斜截式、懸掛式夾爪斜楔夾緊以及短滑塊斜楔夾緊結(jié)構(gòu)等[4]。夾緊機(jī)構(gòu)的受力情況對(duì)于系統(tǒng)的工作特性有較為重要的影響，以下以及短滑塊斜楔夾緊結(jié)構(gòu)為例，分析夾緊結(jié)構(gòu)的受力情況。

圖4 短滑塊斜楔夾緊結(jié)構(gòu)受力分析

在X 以及Y 方向建立受力平衡方程有：

因此，可以通過(guò)方程組求解出所收到的夾緊力F3的大小，并從中分析出夾緊力的相關(guān)因素，為改善系統(tǒng)特性提供理論參考。在夾緊力分析中，夾緊力的系數(shù)也是極為重要的指標(biāo)，在機(jī)床系統(tǒng)中，放大系數(shù)越大則機(jī)床的工具系統(tǒng)機(jī)構(gòu)效率越高[5]。從以上的分析中可以得知，夾緊機(jī)構(gòu)的放大系數(shù)與接觸面的摩擦系數(shù)以及斜面角具有密切的聯(lián)系，一般而言，摩擦系數(shù)越小則放大系數(shù)越大，在工程應(yīng)用中由于工具系統(tǒng)的物理特性基本確定，因此，主要考慮由斜面的角度來(lái)進(jìn)行放大系數(shù)的調(diào)整優(yōu)化。由放大系數(shù)與斜面角的函數(shù)關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，在斜面角在0~45°的范圍內(nèi)，夾緊力放大系數(shù)隨著斜面角的減小不斷增大，同時(shí)，通過(guò)公式可以發(fā)現(xiàn)縱向的放大分系數(shù)的增加比橫向要更為明顯。在進(jìn)行理論分析后，對(duì)于工具系統(tǒng)夾緊力的設(shè)計(jì)就有了基本的理論指導(dǎo)，可以為工具系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)提供重要的參考。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高速系統(tǒng)主軸轉(zhuǎn)速較高，系統(tǒng)對(duì)于定位精度、剛度以及平衡度要求的特點(diǎn)，以及目前高速系統(tǒng)工具在工程時(shí)間中存在在問(wèn)題，作為主軸以及刀具連接部分的刀具系統(tǒng)要能夠滿足多個(gè)方面的要求，主要是要采用合適的橫向以及縱向端面設(shè)計(jì)，采取空心刀柄結(jié)構(gòu)，采取合理的方案改善系統(tǒng)的夾緊性能等。文中的分析可以為實(shí)際高速機(jī)床刀具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)以及實(shí)踐基礎(chǔ)。

[1]張博霖.高速切削技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]王樹(shù)林. HSK 工具系統(tǒng)夾緊系統(tǒng)分析研究[J]. 現(xiàn)代制造工程，2002，（12）：66-68.

[3]李崇華編.電氣控制技術(shù)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社，2004.

[4]白銘生，陳組蘇.流體機(jī)械[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1983.