加工中心主轴转速高速化的刀具锥柄结构分析

ＮＱ．６　陕西科技大学学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＡＡＮＸＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　ＤｅＣ．２００７　・１Ｏ８・　Ｖ０１．２５　文章编号：１００Ｏ一５８１１（２００７）Ｏ６一Ｏ１Ｏ８　Ｏ３　加工中心主轴转速高速化的刀具锥柄结构分析　夏粉玲　，　周应昌。　（１．陕西工业职业技术学院机械工程系，陕西成阳　７１２０００；２．秦川机床集团有限公司，陕西宝鸡　７２１００９）　摘　要：对ＢＴ、ＫＭ、ＨＳＫ　３种不同刀柄系列的特点、结构、紧固方式以及在静止状态下的弯曲　度进行了比较，指出ＢＴ刀柄在结构上所存在的缺陷了加工中心主轴转速的高速化，而　ＫＭ和ＨＳＫ两种新型刀柄由于存在种种优点已经逐步取代了ＢＴ刀柄。　关键词：加工中心；主轴；高速化；刀具锥柄；结构　中图分类号：ＴＧ７Ｏ３　文献标识码：Ａ　０引言　随着机床向高速、高精度、大功率方向发展，机床的结构刚性越来越好，而主轴与刀具的结合面多年来　仍沿用标准的７／２４锥度配合．分析表明，在加工过程中，刀尖的变形有２５　～５Ｏ　来源于７／２４锥度联　接，只有４Ｏ　左右的变形源于主轴和轴承ｎ　．因此，刀具锥柄结构的设计已成为不可忽视的问题．　标准的７／２４锥作为刀具锥柄因为不能自锁，从而可以实现快速装卸刀具；刀柄的锥体在拉杆轴向拉　力的作用下，紧紧地与主轴的内锥面接触，实心的锥体直接在主轴内支承刀具，可以减小刀具的悬伸量，这　种连接只有一个尺寸即锥角需加工到很高精度，所以刀具成本较低而且安装可靠，多年来应用非常广泛．　但是随着加工中心向高速、高精度、高刚度方向的发展，７／２４锥柄已暴露出它的局限性．为了解决传统刀　柄在高速主轴结构中存在的问题，目前世界机床行业已先后开发了几种类型的刀柄，有ＨＳＫ型、ＫＭ型、　ＮＣ５型、Ｈ．Ｅ．Ｃ型等　．其中德国率先开发了代替７／２４锥度刀柄的新的接口双面约束ＨＳＫ（Ｈｏｌｌｏｗ　Ｓｈａｎｋ　Ｋｅｇｅ１）刀柄，且已列入德国ＤＩＮ标准．本文仅对ＢＴ（７／２４）刀柄、ＨＳＫ（１／１０）刀柄和ＫＭ（１／１０）刀　柄加以比较．　１几种刀柄系列　１．１　标准７／２４锥联接ＢＴ刀柄　传统的ＢＴ型７／２４锥度刀柄因不能自锁，可实现快速换刀，同时由于锥度较大，锥柄较长，因此锥体　表面同时起两个作用，即刀具相对于主轴的定位精度及实现刀具夹紧并提供足够的联接刚度．在ＩＳＯ标　准规定７／２４锥度配合中，主轴内锥孔的角度偏差为负，刀柄锥体的角度偏差为正，以保证配合的前段接　触，所以它的径向定位精度往往不够，在配合的后段还会产生间隙，特别在机床高速旋转时，因离心力的作　用，机床主轴锥孔出现扩张，使安装在锥孔中的刀柄产生明显的轴向位移，高速性能差，不能适应高速主轴　与刀具的联接．　１．２　ＨＳＫ（Ｈｏｌｌｏｗ　Ｓｈａｎｋ　Ｋｅｇｅ１）刀柄（ＤＩＮ６９８９３）　ＨＳＫ刀柄是由德国阿亨大学机床研究室（ＷＺＬ　Ａａｃｈｅｎ）专门为高速机床主轴开发的一种刀柄联接　结构，已被ＤＩＮ标准化．　１．２．１　ＨＳＫ刀柄的结构特点及优势　ＨＳＫ刀柄由锥面（径向）与法兰锥面（轴向）共同完成与主轴的刚性连接，由锥面实现刀具与主轴之间　的同轴度，锥柄的锥度为１／１０．这种结构的优势是锥面和端面过定位的结合形式能有效的提高连接刚度；　１／１Ｏ的锥度（与７／２４锥度相比）较浅，楔形效果较强，故具有较高的抗扭矩能力，而且能抑制因振动产生　＊收稿日期：２００７～０９～２３　作者简介：夏粉玲（１９６１～），女，陕西省泾阳县人，副教授，硕士，研究方向：机械设计与机械制造　维普资讯 http://www.cqvip.com

第６期　夏粉玲等：加工中心主轴转速高速化的刀具锥柄结构分析　・１０９・　的微量位移，同时因锥度短（为ＢＴ刀柄的１／３左右）和采用空心结构，所以质量较小（约为ＢＴ刀柄　的一半），见图１．故ＡＴＣ动作可以缩短移动时间，　加快刀具移动速度，有益于实现ＡＴＣ的高速化．　ＢＴ刀柄因锥部轴向尺寸较长，插入主轴锥孔后会　使主轴前轴颈微量张开，加大前轴承预紧力，易于　导致前轴承发热，不利于提高主轴转速．而ＨＳＫ　刀柄因锥柄较短，则可避免这一不利因素，刀柄与　主轴间扩张爪锁紧，转速越高，扩张爪的离心力越　大，锁紧力越大．　１．２．２　ＨＳＫ刀柄的缺点　图１　ＢＴ刀柄与ＨＳＫ刀柄结构示意图　ＨＳＫ刀柄与现有的主轴端面结构和刀柄不　兼容．ＨＳＫ刀柄为过定位安装，必须严格控制锥面基准线与法兰锥面的轴向精度，与之相应的主轴也必须　严格控制这一轴向位置精度，且其制造精度要求较高，结构复杂，成本较高（刀柄价格是普通标准７／２４刀　柄的１．５～２倍），同时锥柄配合过盈量较小（是ＫＭ结构的１／５～１／２），极限转速比ＫＭ结构低．另一方　面，由于ＨＳＫ柄部为空心状态，内部易被灰尘、切屑污染，同时其法兰端面也是定位面，一旦污染，会影响　定位精度，所以刀柄生产厂家附加了清洁措施．　１．３　ＫＭ刀柄系列　ＫＭ刀柄系列是美国Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌ公司和德国Ｗｉｄｉａ公司合作研制的，该系列采用１／１０短锥配合，锥　柄的长度仅为标准７／２４锥柄长度的１／３，刀柄设计成中空的结构，在拉杆力的作用下，短锥可径向收缩，　实现端面与锥面同时接触定位．由于锥度配合部分有较大的过盈量，因此所需加工精度比标准７／２４长锥　柄配合所需的精度低．又由于ＫＭ的牵引力与紧固力明显大于ＨＳＫ，故具有更高的刚度．由于ＫＭ工具　系统具有高刚度、高精度、快速装夹和维护简单等优点，丰田公司已采用了３种ＫＭ规格作为标准，该公　司共有近３　０００台装备了ＫＭ的机床．此外，在亚太地区有１６家机床制造商和７家工具制造商生产ＫＭ　回转刀柄的机床、刀具和量具，主要是ＫＭ６３５０和ＫＭ１００８０规格，还有ＭｏｒｉＳｅｉｋｉ、Ｍａｚａｋ正采用ＫＭ系　列产品．　２　３种刀柄的性能测试与对比　日本丰田工机公司的仲川博夫与丰田汽车公司的诸贯秀雄等对ＢＴ、ＨＳＫ、ＫＭ的主要性能进行了实　态定量测试评价．　２．１　紧固方式比较　刀柄结构不同，其紧固方式也不同，３种刀柄的结构形式如图２所示，其中ＢＴ刀柄为实　ｆｌ，结构，其余　两种均为空心结构．　图２　３种锥柄结构　１　１．２ｋＮ　７／２　图３　３种锥柄的紧固形式　根据３种刀柄的不同结构，其紧固形式如图３所示，其基本特点见表１　维普资讯 http://www.cqvip.com

・　１１Ｏ・　陕西科技大学学报　第２５卷　表１　３种刀柄的基本特点　Ｏ　巨＼萎　Ｏ　Ｏ　１　５　５　＾　２．２静止状态下的弯曲度比较　ＢＴ锥柄和ＨＳＫ锥柄在静止状态下的弯曲度如图４所示．从图４可以看出，ＨＳＫ锥柄在静止状态下　的弯曲度明显小于ＢＴ锥柄．　由表１可见，ＨＳＫ具有优越的静刚度与动刚度，这是由于双面约束的结构在锥面接触的基础上端面　接触起到了提高刚度的作用．　Ｏ　重～嚣　Ｏ　Ｏ　●　●　径向连续换刀　●ＨＳＫ７５，ＨＳＫ１００　ｏ　ＨＳＫ７５，ＨＳＫ１００　１　５　ｏ　ｏ．’　ｏ　Ｏ　Ｏ　ｏ　（机器央持）　（手动夹持）　麓　一　轴●ＨＳ（Ｋ向机７连器５续，Ｈ夹换Ｓ持Ｋ刀）１　００　ｏｏ’　ｏ　ｏＨＳＫ７５，５　ｄ　ＨＳＫ１００　ｏ　ｏ　（手动夹持）　一０．５　０　０．５　１　—０．５　０　０．５　ｌ　瓷瓶　ｍ琏　／ｕｍ　图４　ＢＴ锥柄和ＨＳＫ锥柄在　静止状态下的弯曲度　２．３连续换刀可持续之公差比较　图５　连续换刀可保持的公差　日本丰田工机公司的仲川博夫与丰田公司的诸贯秀雄等对ＢＴ、ＨＳＫ、ＫＭ的测试表明，ＢＴ重复安装　精度的最大误差为±２．５　ｍ，而ＨＳＫ、ＫＭ则在±１．０　ｍ以内，而且ＢＴ的重复安装精度因机床的不同　而呈现出明显的差异，ＨＳＫ与ＫＭ因端面接触而对刀柄锥面接触的倾斜误差有矫正作用．轴向的重复安　装精度也有类似情况．德国钴领公司所做的测试表明ＨＳＫ刀柄可保持一定的误差范围．　３结束语　从总的发展趋势来看，无论机床还是刀具，都将向着高速化方向发展，而ＢＴ刀柄因自身结构上的缺　陷已成为公认的高速化障碍之一．在众多的高速刀／轴连接方案中，已被ＤＩＮ标准化的ＨＳＫ短锥刀柄结　构比较适合应用于高速主轴，无论优势、劣势，目前都已形成了具有广泛而普遍的共识．作为我国加工中心　的生产厂家也应该应用德国ＨＳＫ、美国ＫＭ刀柄系列技术，着手研究设计适宜于主轴高速化环境下的主　轴、刀柄结构，与国际主轴高速化接轨，提高国产加工中心的主轴性能和国产加工中心的市场竞争能力．　参考文献　［１］陆剑中．金属切削原理与刀具（修订本）［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００７：２０９—２２５　［２］殷育平．数控机床［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００３　１６３—１７０．　［３］陈世平．高速切削刀具系统动平衡研究与分析ＥＪ３．机床与液压，２００５，（１０）：３２—３３．　［４］刘　利．数控机床刀具锥炳结构综述［Ｊ］．制造技术与机床，１９９８，（１１）：３９—４１．　（下转第１４１页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

第６期　［８］赵秀勇，旭寇晓东等：生态足迹应用研究：对中国若干城市的时序与对比分析　波，孙勤芳，等．生态足迹分析法在生态持续发展定量研究中的应用一以南京市１９９８年的生态足迹计算为例口］．农　城市生态足迹计算与分析～以广州为例［Ｊ］．地理研究，２００３，２２（５）：６５４　６６２．　村生态环境，２００３，１９（２）：５８—６０．　［９］郭秀锐，杨居荣，毛显强［１ｏ］高成康．生态足迹的修正及其在城市生态规划中的应用一以上海市为例［Ｊ］．环境科学与技术，２００６，２９（４）：５８—６２．　［１１］张志强．中国西部ｌ２省（区市）的生态足迹［刀．地理学报，２００１，５６（５）：５９９～６１１．　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩｏＮ　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　ｏＦ　ＥＣｏＬｏＧＩＣＡＬ　ＦｏｏＴＰＲＩＮＴ：　ＴＩＭＥ　ＳＥＱＵＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＣｏＭＰＡＲＡＴＩＶＥ　ＡＮＡＬＹＳＩＳ　ＯＦ　ＳＥＬＥＣＴＥＤ　ＣＨＩＮＥＳＥ　ＣＩＴＩＥＳ　ＫＯＵ　Ｘｉａｏ—ｄｏｎｇ　，ＬＩ　Ｇｕａｎｇ—ｊ　ｕｎ　，ＷＡＮＧ　Ｑｉｎｇ　，ＹＡＮＧ　Ｌｉｎ。　（１＿Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００７２，Ｃｈｉｎａ：２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｒｅ—　ｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１　１０００４，Ｃｈｉｎａ；３．Ｔｈｅ　Ｅｃｏｎｏｍｉｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｉｔｓ　ｓｉｍｐｌｉｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ，ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ（ＥＦ）ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉＳ　ｃｈｏｓｅｎ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｍａｎｙ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｔｏ　ｅｖａｌｕａｔｅ　ｓｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｃｉｔｉｅｓ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ．　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｃａｌｅｓ　ｏｆ　ＥＦ．ｔｈｅ　ＥＦ　ｏｆ　Ｘｉ’ａｎ　ｆｒｏｍ　ｌ９９５　ｔｏ　２００４　ｉＳ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ＥＦ　ｏｆ　Ｘｉ’ａｎ　ｉｎｃｒｅａ—　ｓｅｓ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ａｎｄ　ｉｎ　２００４　ｔｈｅ　ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｄｅｆｉｃｉｔ（ＥＤ）ｉｓ　０．８４５　ｈａ／ｃａｐ．Ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ＥＤ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　Ｘｉ　ａｎ　ｉｓ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｃｈａｌｌｅｎｇｅｄ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ　ｏｖｅｒｌｏａｄｅｄ．　Ｔｈｅｎ　ＥＦ　ａｎｄ　ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ（ＥＥ）ｏｆ　ｏｔｈｅｒ　ｅｉｇｈｔ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ｃｉｔｉｅｓ　ｉｎ　２００４　ａｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．　Ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ＥＦ　ｏｆ　Ｈｏｎｇ　Ｋｏｎｇ（４．８６７　６　ｈａ／ｃａｐ）ｉｓ　ｔｈｅ　ｂｉｇ—　ｇｅｓｔ，１　２２　ｔｉｍｅｓ　ｂｉｇｇｅｒ　ｔｈａｎ　ｉｔｓ　ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃａｐａｃｉｔｙ（０．０３９　９　ｈａ／ｃａｐ），ｔｈｅｎ　ｃｏｍｅ　Ｓｈａｎｇｈａｉ，　Ｂｅｉｊ　ｉｎｇ，Ｔｉａｎｊ　ｉｎ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　ａｎｄ　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ＥＥ　ｏｆ　Ｈｏｎｇ　Ｋｏｎｇ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｓｔ（３９　２９９　ｙｕａｎ／ｈｍ　），ｔｈｅｎ　ｃｏｍｅ　Ｓｈｅｎｚｈｅｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ，　Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ　ａｎｄ　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ．Ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ，ＥＥ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｖｅｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｍａｉｎｌａｎｄ　ｃｉｔ—　ｉｅｓ　ｈａｓ　ｍｕｃｈ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｓｐａｃｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈａｔ　ｏｆ　Ｈｏｎｇ　Ｋｏｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｒｂａｎ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ；ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓａｆｅｔｙ；ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　（上接第１１０页）　ＳＵＭＭＡＲＩＺＩＮＧ　ｏＮ　ＴｏｏＬ　ＴＡＰＥＲ　ＳＨＡＮＫ　ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ　ＦｏＲ　ＭＡＣＨＩＮＩＮＧ　ＣＥＮＴＥＲ　ＳＰＩＮＤＬＥ　ＳＰＥＥＤＩＮＧ　ＵＰ　ＸＩＡ　Ｆｅｎ—ｌｉｎｇ　，ＺＨＯＵ　Ｙｉｎｇ—ｃｈａｎｇｅ　（１．Ｄｅｐｔ．ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉａｎｙａｎｇ　７１２０００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｑｉｎｃｈｕａｎ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｂａｏｊｉ　７２１００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ，ｂｙ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｒｅｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔａｐｅｒ　ｓｈａｎｋｓ　ｓｅｒｉｅｓ　ＢＴ，ＫＭ　ａｎｄ　ＨＳＫ　ｉｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｆａｓｔｅｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ｃａｍｂｅｒｓ　ｕｎｄｅｒ　ｓｔｉｌｌｉｎｇ，ｔｈｅ　ｄｉｓａｄ—　ｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ＢＴ　ｔｏｏｌ　ｔａｐｅｒ　ｓｈａｎｋ　ａｒｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｅ—　ｗｅｔ　ｔｏｏ１　ｓｈａｎｋ　ａｒｅ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｃｅｎｔｅｒ；ｓｐｉｎｄｌｅ；ｓｐｅｅｄｉｎｇ　ｕｐ；ｔｏｏｌ　ｔａｐｅｒ　ｓｈａｎｋ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ