陳世平 李青鋒

(重慶理工大學(xué)汽車學(xué)院，重慶 400054)

高速切削加工刀具技術(shù)是高速切削加工的一個關(guān)鍵技術(shù)，它包括高速切削刀具材料和工具系統(tǒng)兩個方面。在工具系統(tǒng)方面，傳統(tǒng)的BT工具系統(tǒng)采用7∶24錐度實心長刀柄結(jié)構(gòu)已不能滿足高速切削加工的要求，必須研發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)的工具系統(tǒng)，如現(xiàn)采用較多的HSK工具系統(tǒng)、KM工具系統(tǒng)等。BT工具系統(tǒng)與HSK工具系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)不同，其高速切削加工性能相差甚遠，BT工具系統(tǒng)幾乎不能用于高速切削加工。

1 BT與HSK工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點

BT刀柄為7∶24錐度實心長刀柄結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該刀柄在機床主軸錐孔安裝時僅靠錐面實現(xiàn)徑向定位和軸向定位，并用拉桿拉緊。在普通切削加工的轉(zhuǎn)速下，刀柄與主軸間無變化。但在主軸高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，在巨大離心力的作用下，由于刀柄與主軸孔的膨脹量不一致，導(dǎo)致主軸與刀柄錐面接觸面積減少。同時，在夾緊機構(gòu)的拉桿拉力的作用下，刀柄的軸向位置會發(fā)生變化，刀柄將內(nèi)陷主軸孔內(nèi)，刀柄、刀具以及夾頭的質(zhì)心也發(fā)生偏移，從而使刀柄的錐度連接剛度和定位精度下降，影響了工具系統(tǒng)整體的不平衡和刀具穩(wěn)定切削條件。另外，當(dāng)機床停機后，刀柄內(nèi)陷于主軸孔內(nèi)將很難拆卸。

HSK刀柄采用了錐度1∶10的空心短錐柄結(jié)構(gòu)，可進行錐面(徑向)和法蘭端面(軸向)雙面定位，實現(xiàn)與主軸的剛性連接，如圖2所示。當(dāng)?shù)侗跈C床主軸錐孔上安裝時，空心短錐柄與主軸錐孔能完全接觸，起到定心作用。此時，HSK刀柄法蘭盤與主軸端面之間還存在約0.1 mm的間隙。在拉緊機構(gòu)作用下，拉桿的向左移動使其前端的錐面將彈性夾爪徑向脹開，同時夾爪的外錐面作用在空心短錐柄內(nèi)孔的30°錐面上，空心短錐柄產(chǎn)生彈性變形，并使其端面與主軸端面靠緊，實現(xiàn)了刀柄與主軸錐面和主軸端面同時定位和夾緊的功能。

由此可見，HSK工具系統(tǒng)與BT工具系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)特點不同，則高速加工性能也不同，BT工具系統(tǒng)不適宜用于高速加工。這可以從下面的分析中得到進一步證實。

2 BT與HSK工具系統(tǒng)的數(shù)字模擬分析

數(shù)字模擬分析法是保留工程問題的復(fù)雜性，利用數(shù)字計算方法求得問題的近似數(shù)值解的一種工程計算方法，最常用的就是有限元數(shù)字分析法。有限元法是把一個物體看成是有限個小單元的集合體，對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解，然后推導(dǎo)求解這個物體總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件)，從而得到問題的解。應(yīng)用有限元法求解時，應(yīng)把連續(xù)的求解區(qū)域分割成有限個單元，并在每一個單元上指定有限個節(jié)點，然后對求解區(qū)域進行模擬或逼真分析。

對于BT工具系統(tǒng)，選取BT40型工具系統(tǒng)作為分析對象，分別對主軸和刀柄進行有限元分析，建立的有限元分析模型如圖3所示。為了便于研究，在建立模型時不考慮鍵槽、芯片等的影響。定義材料屬性為:密度m=7.8×103kg/m3，彈性模量E=2.03×1011N/m2，泊松比ν=0.30，摩擦系數(shù)μ=0.15。通過解算有限元，可以得到在離心力作用下主軸和刀柄的徑向變形情況，如圖4所示。圖中的縱坐標變形量即為主軸和刀柄的徑向位移量，X為節(jié)點到主軸端面的距離。

對于HSK工具系統(tǒng)，選取HSK63－A型工具系統(tǒng)作為分析對象，分別對主軸和刀柄進行有限元分析，建立的有限元分析模型如圖5。定義材料屬性為:密度m=7.8×103kg/m3，彈性模量E=2.03 ×1011N/m2，泊松比ν=0.30，摩擦系數(shù)μ=0.15。通過解算有限元，可以得到離心力作用下主軸和刀柄的徑向變形情況。圖6為高速旋轉(zhuǎn)時HSK刀柄和主軸在不同離心力作用下的擴張情況。

比較圖4c和圖6c可以看出，高速狀態(tài)下，主軸與刀柄間的間隙HSK工具系統(tǒng)比BT工具系統(tǒng)小，且其接觸面之間的間隙也相對均勻。由此可知:HSK工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在高轉(zhuǎn)速下的動態(tài)特性比BT工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的優(yōu)越，也證明了不同的工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式對主軸和刀柄的連接系統(tǒng)動態(tài)特性有很大的影響，雙面定位、空心薄壁結(jié)構(gòu)優(yōu)于單面定位、實心錐柄結(jié)構(gòu)。

3 HSK與BT工具系統(tǒng)的高速加工性能

為了比較HSK工具系統(tǒng)與BT工具系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性，在相應(yīng)的試驗儀器上進行了有關(guān)實驗，其實驗結(jié)果如圖7～10所示。

圖7表明了HSK63－A刀柄和BT40刀隨軸向拉緊力增大，其軸向位移變形情況?？梢?，HSK工具系統(tǒng)軸向位移比BT工具系統(tǒng)的小得多，說明其相應(yīng)的軸向剛度、定位精度高得多。

圖8表明了HSK63－A刀柄(18 kN軸向拉緊力)和BT40刀柄(12 kN軸向夾緊力)承受彎矩載荷時，其徑向剛度(以離軸端1 m處的徑向位移衡量)的變化情況。實驗結(jié)果表明，HSK工具系統(tǒng)變形比BT40工具系統(tǒng)的小，其相應(yīng)的徑向剛度、承載能力高。

圖9表明了HSK63－A刀柄隨著轉(zhuǎn)速提高、離心力增大，其軸向拉緊力也增大，而BT刀柄的軸向拉緊力幾乎不變。

圖10為HSK63－A刀柄和BT40刀柄重復(fù)安裝精度實驗對比圖。實驗結(jié)果表明，HSK63－A刀柄與BT40刀柄相比較，徑向重復(fù)定位精度提高約2/3倍，而軸向重復(fù)定位精度提高約400倍，這充分說明了雙面定位系統(tǒng)的優(yōu)點。

4 結(jié)語

通過以上理論分析和實驗分析，可以充分肯定HSK工具系統(tǒng)與傳統(tǒng)的BT工具系統(tǒng)相比，具有良好的高速加工性能，在高速切削加工技術(shù)中占有重要的地位，具有廣泛的應(yīng)用推廣價值。但是，HSK工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也有一定弊端，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)由于采用過定位安裝，必須嚴格控制錐面基準線與法蘭端面的軸向位置精度，使其制造工藝難度較大。一般而言，HSK工具系統(tǒng)的價格是相近規(guī)格BT工具系統(tǒng)的1.5倍。

(2)HSK工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為空心狀態(tài)，裝夾刀具的結(jié)構(gòu)必須設(shè)置在外部，增加了整個刀具的懸伸長度，影響了刀具的剛度。

［1］陳世平，侯智，周康源，等.HSK刀柄高速切削性能研究［J］.機械設(shè)計與制造，2005(8):128 －130.

［2］張伯霖.高速切削技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002:181－198.

［3］王貴成，王樹林，董廣強，等.高速加工工具系統(tǒng)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2005:106－112.

［4］Dr.Eugene Kocherovsky.HSK Handbook［Z］.1999.