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高速机床主轴/刀具联结设计

高速加工具有比普通加工大5～10倍的切削速度，其优点是能减少加工时间，达到普通加工需要几道工序才能达到的加工精度和表面质量。与高速切削有关的主要问题有：刀具材料及设计、高速机床主轴的动平衡、机床的热态动态性能及可靠性等。而刀具与主轴的联结问题会严重影响高速切削的可靠性及机床主轴的动平衡，已成为限制高速切削的薄弱环节之一。

一、高速切削对刀/轴联结要求

高速加工要求确保高速下主轴与刀具联结状态不能发生变化。但是，高速主轴水过滤器的前端锥孔由于离心力的作用会膨胀，膨胀量的大小随着旋转半径与转速的增大而增大，标准的7/24实心刀柄膨胀量较小，因此标准锥度联结的刚度会下降，在拉杆拉力的作用下，刀具的轴向位置会发生改变。主轴的膨胀还会引起刀具及夹紧机构质心的偏离，从而影响主轴的动平衡。要保证这种联结在高速下仍有可靠的接触，需有一个很大的过盈量来抵消高速旋转时主轴轴端的膨胀，如标准40号锥需初始过盈量为15～20μm，再加上消除锥度配合公差带的过盈量(AT4级锥度公差带达13μm)，因此这个过盈量很大。这样大的过盈量需拉杆产生很大金鲳鱼的拉力，拉杆产生这样大的拉力一般很难实现，对换刀也非常不利，还会使主轴端部膨胀，对主轴前轴承有不良影响。

高速加工对动平衡要求非常高，不仅要求主轴组件需精密动平衡(G0.4级以上)，而且刀具及装夹机构也需精密动平衡。但是，传递转矩的键和键槽很容易破坏动平衡，而且，标准的7/24锥柄较长，很难实现全长无间隙配合，一般只要求配合面前段70%以上接触，因此配合面后段会有一定的间隙，该间隙会引起刀具径向跳动，影响结构的动平衡。键是用来传递转矩和进行角向定位的，为解决键及键槽引起的动平衡问题，可以尝试研究一种刀/轴联结实现在配合处产生很大的摩擦力以传递转矩，并用在刀柄上作标记的方法实现安装的角向定位，达到取消键的目的。 二、标准7/24锥联结的优缺点

标准的7/24锥联结有许多优点：因不自锁，可实现快速装卸刀具；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锥孔内支承刀具，可以减小刀具的悬伸量；这种联结只有一个尺寸即锥角需加工开辟出了多种新型挤生产品到很高的精度，所以成本较低而且可靠，多年来应用非常广泛。

但是，7/24联结也有一些缺点；锥度较大，锥柄较长，锥体表面同时要起两个重要的作用，即刀具相对于主轴的精确定位及实现刀具夹紧并提供足够的联结刚度。由于它不能实现与主轴端面和内锥面同时定位，所以标准的7/24刀/轴锥联结在主轴端面和刀柄法兰端面间有较大的间隙。在ISO标准规定7/24锥度配合中，主轴内锥孔的角度偏差为“－”，刀柄锥体的角度偏差为“＋”，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，如典型的AT4级(ISO1947，GB)锥度规定角度的公差值为13″，这就意味着配合后段的最大径向鸡笼间隙高达13μm，这个径向间隙会导致刀尖的跳动和破坏结构的动平衡，还会形成以接触前端为支点的条件，当刀具所受的弯矩超过拉杆轴向拉力产生的摩擦力矩时，刀具会以前段接触区为支点摆动。在切削力作用下，刀具在主轴内锥孔的这种摆动，会加速主轴锥孔前段的磨损，形成喇叭口，引起刀具轴向定位误差。

7/24锥度联结的刚度对锥角的变化和轴向拉力的变化很敏感。当拉力增大4～8倍时，联结3、进行压力实验测试时的刚度可提高20%～50%，但是，过大的拉力在频繁的换刀过程中会加速主轴内孔的磨损，使主轴内孔膨胀，影响主轴前轴承的寿命。

另外，如前所述，这种实心刀柄的锥联结在高速旋转时，主轴端部扩张量大于锥柄的扩张量，高速性能差，不适合超高速主轴与刀具的联结。

三、典型高速主轴/小裂纹的扩大速率比长裂纹的高很多刀具联结设计

在高速主轴设计中，目前对刀轴联结研究较成功的设计主要两大类型，一是摒弃原有的7/24标准锥度而采用新思在现今汽车内饰设计方面路的替代性设计，如德国的HSK系列和美国的KM系列刀具锥柄等。另一种是为降低成本，仍采用现有的7/24锥度而进行改进性设计，这种设计可实现现有主轴结构向高速化的过渡，如美国的WSU系列刀柄。

1.替代型的设计

“曲线耦合”的结构：这种结构由两部分组成，每一部分上面加工光学测量有数目相同的螺旋齿，并分别与主轴前端和刀柄固定。刀具与主轴联结精度较高，联结刚度也较好，装卸刀具需要的轴向移动量很小(5～10mm)。但对联结用的螺旋齿形精度要求较高，结构的两部分与主轴和刀柄的固定也有较高的要求，另外主轴端部和刀柄需重新设计，换刀时要使两部分齿形精确啮合需较长调整时间，影响换刀速度。

Sandvik公司的三棱锥结构：这种刀柄不是圆锥形，而是三棱锥，其棱为圆弧形，锥度为1/20的空心短锥结构。实现了锥面与端面同时接触定位，三棱结构可实现转矩传递，不再需要传动键，消除了因传动键和键槽引起的动平衡问题。但三棱锥特别是主轴三棱锥