郭智春， 劉偉

（1.沈陽機床（集團）設計研究院有限公司設計研究院研發(fā)部，沈陽 110142；2.沈陽機床（集團）有限責任公司沈陽機床數(shù)控刀架分公司，沈陽 110142）

0 引言

車銑復合加工中心是民用裝備制造業(yè)以及航空、航天、軍工、發(fā)電等重要工業(yè)部門的關鍵加工設備。動力刀座是車削中心數(shù)控刀架上的主要配套元件，動力刀座的使用拓展了機床的加工范圍和整體制造能力，提高了機床加工效率和加工精度［1-4］。

本文主要介紹動力刀座的基本結構和工作原理，并分析目前動力刀座驅動接口形式、聯(lián)接安裝結構、切削功能單元和刀具夾持接口等主要構成模塊的研究、發(fā)展和應用現(xiàn)狀。

1 動力刀座的基本結構和工作原理

動力刀座的基本結構如圖1所示。

圖1 動力刀座的基本結構

動力刀座通過刀柄8安裝到刀架的刀盤上，圖1為典型的VDI刀柄聯(lián)接形式，通過刀柄8上的斜楔固定牙2固定刀柄，常見的連接方式還有BMT和CDI等形式。刀柄8末端有驅動接口1，動力切削時刀架通過內(nèi)部的離合器結構驅動驅動接口1，將動力從刀架傳遞給動力刀座內(nèi)部的傳動齒輪3等傳動機構。傳動齒輪3和軸承5等傳動部件安裝在刀架外殼4的內(nèi)腔中，將動力從驅動接口1傳遞給刀具夾持接口6，刀具夾持接口6上安裝切削刀具實現(xiàn)動力切削加工。冷卻液出口7排出冷卻液，用于加工過程中對工件進行冷卻。圖1所示為直動力刀座的傳動結構，采用其他的傳動結構形式可在夾持接口處得到多種不同的運動方式、實現(xiàn)特點的切削功能。

2 動力刀座主要功能模塊

如圖2所示，動力刀座各部分按照功能的不同，可分為驅動接口、聯(lián)接安裝結構、切削功能單元和刀具夾持接口。

圖2 動力刀座主要功能模塊

2.1 驅動接口

驅動接口是動力刀座與刀架離合器結構聯(lián)接驅動的部件，其中最廣泛采用的是標準化的DIN 1809、DIN 5480接口和DIN 5482接口。DIN 1809為凸榫式“一”字型鍵結構傳動，結構簡單，但存在一定的反向間隙，有沖擊。DIN 5480和DIN 5482為花鍵結構傳動，沒有反向間隙，傳動平穩(wěn)。

除上述接口外，不同刀架和刀座制造企業(yè)還采用傘齒輪接口、齒盤型接口和梅花型接口等形式。梅花型接口根據(jù)不同的生產(chǎn)企業(yè)還有Baruffaldi TOEM MT、Duplomatic IT、OKUMA 1step、OKUMA 1step等形式，上述接口主要應用于特定企業(yè)定制產(chǎn)品，沒有凸榫式和花鍵式驅動接口使用廣泛。

2.2 聯(lián)接安裝結構

動力刀座和刀盤聯(lián)接形式有VDI、BMT和CDI等形式。CDI連接形式屬于山特維克企業(yè)面向高端的特殊定制產(chǎn)品，采用內(nèi)置Capto系統(tǒng)精確定位，4個螺釘夾緊保證剛度。本文重點介紹VDI和BMT刀座刀盤聯(lián)接形式。VDI采用標準化DIN69880刀柄聯(lián)接結構，刀柄上有鋸齒面，通過斜楔將刀柄固定在刀盤上，利用鋸齒面和定位銷定位，冷卻液通過定位銷孔提供。優(yōu)點是快速換刀、標準化聯(lián)接，供應商多，選擇范圍廣泛。缺點是刀座剛性和在刀塔上的固定剛性差，重復定位精度差，調(diào)整難度大，夾緊力小。

BMT為非標準聯(lián)接，采用4個鍵定位，通過4個螺釘固定，扳手安裝，附加孔提供冷卻。優(yōu)點是刀座本身以及在刀塔上的固定剛性好，比VDI的重復定位精度高。缺點是安裝形式出現(xiàn)時間較晚，目前還沒有統(tǒng)一的標準，各個廠家都有各自不同的BMT接口，互換性差，生產(chǎn)的廠家還比較少，多為日韓系機床廠商使用。

圖3 BMT和VDI刀盤對比

2.3 切削功能單元

切削功能單元主要采用齒輪傳動，將動力由驅動接口傳遞給刀具夾持接口，圖4為直刀座和直角動力刀座的傳動原理圖。直刀座動力驅動接口軸線方向與刀具夾持接口軸線方向重合，圖4實例采用的是行星輪系傳動。直角刀座動力驅動接口軸線方向與刀具夾持接口軸線方向相互垂直，圖4實例采用的是一級錐齒二級直齒輪輪傳動。

圖4 直刀座和直角刀座

除直動力刀座和直角動力刀座外，目前刀座生產(chǎn)企業(yè)還研發(fā)了具有拉削功能的拉刀功能單元、具有動力驅動接口軸線方向與刀具夾持接口軸線方向角度可調(diào)的旋轉頭功能單元、具有雙向夾持刀具功能的雙向加工頭單元、具有多孔同時鉆削功能的多軸鉆削頭功能單元等眾多功能單元。專用功能單元的出現(xiàn)，極大擴展了刀架的加工范圍，專用功能單元是動力刀座制造企業(yè)在國內(nèi)外機床展覽會上的重要參展產(chǎn)品，代表了刀座制造企業(yè)的研發(fā)制造能力以及創(chuàng)新能力。

2.4 刀具夾持接口

刀具夾持接口用于夾持切削刀具，常見的夾持接口有DIN 6499彈簧夾頭、DIN 6388彈簧夾頭、DIN6358銑削頭等標準化的夾持接口。除此之外，不同刀架和刀座制造企業(yè)還開發(fā)了其他的非標夾持接口。

圖5 各種快換夾持形式對比

近年來一些制造企業(yè)基于提高換刀速度、改善夾持剛性等目的，陸續(xù)推出了各種快換接口，例如WTO的QuickFlex快換系統(tǒng)、EPPINGER的PRECIFLEX快換系統(tǒng)和SANDVIK COROMANT的Capto快換系統(tǒng)等。其中，驅動刀具采用模塊化設計，利用快換扳手實現(xiàn)模塊化刀具的更換，而模塊化刀具的夾持方式依企業(yè)的不同分別采用了雙錐面定位夾緊、錐面-平面定位夾緊和Capto類三棱錐面定位夾緊等方式。

傳統(tǒng)的圓錐面定位夾緊方式采用一錐面作為定位夾緊面，容易出現(xiàn)夾緊力不足、導致刀尖跳動過大，系統(tǒng)剛性不足等問題。

雙錐面定位夾緊方式采用兩個獨立的錐面作為定位夾緊面、錐面-平面定位夾緊方式采用錐面和平面作為定位夾緊面。超靜定結構提高了夾緊精度和夾緊可靠性。

Capto接口采用類三棱錐面代替普通圓錐面，類三棱錐面可以承受較大的扭轉力矩，提高了夾持結構的抗扭性能。

3 結論

主要分析動力刀座的基本結構和工作原理，分模塊介紹了動力刀座驅動接口形式、聯(lián)接安裝結構、切削功能單元和刀具夾持接口的研究、發(fā)展和應用現(xiàn)狀。

標準化的DIN 1809、DIN 5480和DIN 5482接口是目前最廣泛應用的驅動接口形式，錐齒輪、齒盤和梅花接口較多應用于企業(yè)定制產(chǎn)品。

動力刀座和刀盤聯(lián)接形式有VDI、BMT和CDI等形式，CDI為山特維克企業(yè)定制產(chǎn)品，VDI標準化程度高、換刀快、剛性差，BMT剛性好、換刀慢、標準化程度低。

直角刀座和直刀座是基本的切削功能單元。除此之外，拉刀功能單元、旋轉頭單元、雙向加工頭單元和多軸鉆削頭功能單元等功能單元的出現(xiàn)擴展了刀架的加工范圍。

DIN 6499彈簧夾頭、DIN 6388彈簧夾頭、DIN6358銑削頭等夾持結構是標準化的刀具夾持接口。目前刀座企業(yè)為提高換刀速度、改善夾持剛性，新開發(fā)了各種快換接口，典型的夾緊方式有：錐面-平面、雙錐面和Capto類三棱錐等方式。

［1］ 現(xiàn)代實用機床設計手冊編委會.現(xiàn)代實用機床設計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［2］ 王建明.HEM與第三代動力刀座技術［J］.現(xiàn)代制造，2009（27）：40-42.

［3］ 馬仕龍,李兆為,劉春時.動力刀架的動力刀座接口研究［J］.機械設計與制造，2010（12）：11-13.

［4］ 梁玉.可快換刀的新一代車削中心動力刀座［J］.制造技術與機床，2008（12）：7.