高速切削加工中新型智能刀柄單元的設(shè)計

陳萃，紀(jì)義國

(空軍航空大學(xué) 航空軍械工程系，長春 130022)

高速切削(High Speed Cutting)和高速加工(High Speedmachining)分別簡稱HSC和HSM，是近些年迅速崛起的一項先進制造技術(shù)。由于其得天獨厚的優(yōu)點，已經(jīng)在現(xiàn)代機密、超精密加工中搶占了十分重要的地位。高速切削技術(shù)使汽車、模具、飛機、輕工和信息等行業(yè)的生產(chǎn)率和制造質(zhì)量顯著提高，加工工藝及裝備進一步更新優(yōu)化，如同數(shù)控技術(shù)一樣，高速切削和高速加工已經(jīng)成為21世紀(jì)機械制造行業(yè)的一次影響深遠(yuǎn)的技術(shù)革命。特別是在解決難切削加工的材料加工的問題上，給人們提供了新的研究方向，是當(dāng)代先進制造技術(shù)的重要組成部分。

隨著對高速切削技術(shù)的研究以及該技術(shù)的進一步成熟和發(fā)展，一些細(xì)節(jié)上的問題逐步映入人們的視野。其中一個重要的關(guān)鍵點就是如何解決刀具與刀柄、刀柄與主軸的連接問題，也就是說如何保證三者所組成的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的剛性和動平衡的問題。能否解決好上述問題已經(jīng)成為高速切削和高速加工中，獲得令人滿意的加工精度和表面粗糙度的重要因素。本文就此提出了一種解決該問題的方法，實現(xiàn)了一種新型智能刀柄系統(tǒng)的設(shè)計。

1 高速切削加工對刀柄性能的要求

刀柄的功能主要是解決刀具與主軸的連接問題。如果處理不好，就會嚴(yán)重影響高速切削加工的可靠性以及機床主軸的動平衡，引起刀具的振動，對切削加工的精度和工件表面粗糙度以及機床主軸軸承的使用壽命產(chǎn)生極其不利的影響。因此，研究、設(shè)計和正確使用刀柄，是實現(xiàn)高速切削加工的一個核心問題。

高速切削加工要求刀柄應(yīng)具有較高的重復(fù)定位精度、較小的徑向跳動量、較大且可靠的夾緊力、較好的剛性和動平衡性等優(yōu)點。

2 高速切削加工中刀柄的使用

2.1 高速切削加工中由于高轉(zhuǎn)速所引發(fā)的問題

在高速主軸系統(tǒng)中，任何旋轉(zhuǎn)體的不平衡都會產(chǎn)生離心力，隨著轉(zhuǎn)速的增加，離心力以平方的關(guān)系迅速增大，包括刀柄在內(nèi)的高速切削刀具系統(tǒng)也會產(chǎn)生離心力，在高速主軸的設(shè)計和高速切削機床的應(yīng)用過程中必須充分考慮和解決刀具系統(tǒng)的離心力的問題，這一點在傳統(tǒng)切削加工中是不必給予如此重視的。

高速切削加工要求確保在高速下主軸與刀具的連接狀態(tài)不發(fā)生變化，但是主軸前端的錐孔在高速運轉(zhuǎn)的條件下，由于離心力的作用會發(fā)生膨脹現(xiàn)象，其膨脹量的大小隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。但與之裝配的刀柄的膨脹量卻很小，這樣總的錐度連接剛性會降低并且引起徑向間隙的出現(xiàn)。因此，這將會影響主軸的動平衡與刀具的徑向跳動。

2.2 傳統(tǒng)的7:24錐度實心長刀柄用于高速切削加工所存在的問題

目前，應(yīng)用最為廣泛是當(dāng)屬標(biāo)準(zhǔn)7:24錐度實心長刀柄，這種刀柄與主軸的連接完全是依靠錐度定位來實現(xiàn)的，一般只要求前段的 70%以上的接觸率，而后段往往存在一定的間隙。由此引發(fā)了其在高速切削應(yīng)用中的一連串的問題：

(1)刀具動、靜剛度底，刀柄與主軸一起高速旋轉(zhuǎn)時，由于主軸軸孔膨脹現(xiàn)象的存在，會是刀柄與主軸前段出現(xiàn)間隙，會使得原本只靠錐度連接的低剛性連接剛度進一步降低。其情況如圖 1所示。

圖1 主軸前段膨脹產(chǎn)生機理Fig.1 The made mechanism of expanding forepart of principal-axis

(2)動平衡性能差，標(biāo)準(zhǔn)7:24錐度實心長刀柄的錐度比較長，很難實現(xiàn)全長無間隙配合，刀柄后段存在間隙。正是由于這種間隙的存在，引起刀具的徑向跳動，影響主軸系統(tǒng)的動平衡。

(3)重復(fù)定位精度低，由于錐度較長，難以保證每次換刀后刀柄與錐孔結(jié)合的一致性。

2.3 針對傳統(tǒng)的7:24錐度實心長刀柄的優(yōu)化以及引發(fā)的問題

為了適應(yīng)高速切削加工對刀柄的要求近些年來各工業(yè)發(fā)達(dá)國家，相繼研究開發(fā)了多種新型刀柄，其中最具有代表意義的應(yīng)屬德國的HSK系列刀柄、美國的 KM 系列刀柄和日本的 BIG-PLUS系列刀柄。所采取的改進舉措通常是：法蘭面與錐面的過定位連接、改用1:10小錐度、使用空心短柄結(jié)構(gòu)。

采用法蘭面與錐面的過定位連接的目的是提高軸向重復(fù)定位精度。從某種意義上來說，這是提高軸向重復(fù)定位精度最為有效的方法。但就其應(yīng)用來說，存在這嚴(yán)重的弊端。因為采用過定位安裝，必須嚴(yán)格控制錐面基準(zhǔn)線與法蘭端面的位置精度，與之相應(yīng)的主軸也必須控制這一軸向精度，殘酷的提高了制造工藝的難度。一般來說，采用這種過定位安裝的主軸是不允許修復(fù)重磨的，因為重磨主軸會引起錐度直徑的超差，進而影響夾緊機構(gòu)的壓緊位置。通常從保護主軸的角度出發(fā)，刀柄材料選用硬度低于主軸的材料，迫使刀柄主動磨損。但由于刀柄的加工精度要求非常高，重磨的費用極其昂貴，且易造成刀柄的完全報廢，因此其經(jīng)濟性能很差。并且由于在高速運轉(zhuǎn)的情況下，主軸存在膨脹現(xiàn)象，采用這種結(jié)構(gòu)是所出現(xiàn)的徑向間隙是一個讓人很頭疼的問題。

改用1:10的小錐度可以提高刀柄與主軸的連接剛度。與傳統(tǒng)的7:24錐度相比，其楔形效果好，能夠提供較強的抗扭能力，由于1:10的錐度很小，錐柄接近與直柄，存在著自鎖現(xiàn)象，所以每次卸刀柄時都需要一個附加的卸出力，這樣會加劇主軸與刀柄的磨損。通常1:10小錐度刀柄都是采用法蘭面與錐面的過定位連接方式來提高軸向定位精度，因此，主軸與刀柄的修復(fù)重磨也是一個不可小窺的問題。

采用空心短柄結(jié)構(gòu)，這種刀柄的長度約為標(biāo)準(zhǔn)7:24錐柄長的1/3。由于配合用的錐度較短，在加之采用空心結(jié)構(gòu)，從某種意義上來說，部分地解決由法蘭面與錐面過定位連接所產(chǎn)生的干涉的問題，同時也清除了傳統(tǒng)7:24刀柄連接時所產(chǎn)生后半段的間隙的問題。因為刀柄中空，在拉桿軸向拉力的作用下，刀柄可以徑向收縮，實現(xiàn)法蘭面與錐面的同時接觸定位，這樣可以降低對法蘭面與錐面過定位結(jié)構(gòu)對加工精度的要求，同時也降低了刀柄修復(fù)重磨的難度。但正是由于刀柄中空，所以不能直接用來夾緊刀具，需要在刀柄的法蘭上另外加設(shè)刀具夾緊機構(gòu)，無形中的增加了刀具的懸伸量，對連接剛度產(chǎn)生不良影響。法蘭面的定位是以刀柄和主軸軸孔變形為前提來實現(xiàn)的。增加了相同轉(zhuǎn)速的條件下主軸的膨脹量，導(dǎo)致主軸軸承工作條件的嚴(yán)重惡化。短錐的應(yīng)用帶來的另一個結(jié)果就是降低了刀柄和主軸連接的同軸度，為了能夠獲得較好的同軸度，又必須在加工精度上提出較為嚴(yán)格的要求，因此原本對加工精度要求低的優(yōu)點又變得模糊了。

3 新型智能刀柄的設(shè)計

3.1 刀柄設(shè)計的出發(fā)點

本款刀柄設(shè)計的出發(fā)點主要是立足于國內(nèi)的制造工藝現(xiàn)狀，通過增加智能檢測和控制系統(tǒng)來提高刀柄的高速性能。主要從以下幾個方面來解決傳統(tǒng)7:24實心長刀柄在高速加工中存在的問題。

3.2 刀具夾持結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在高速切削加工中，應(yīng)用較為廣泛的刀具夾持結(jié)構(gòu)主要有三種：熱裝夾、三棱變形裝夾和液壓裝夾。

這三種夾持方式均可以保證刀柄具有較高的剛度以及良好的動平衡特性，也都具有對稱性好、精度高、刀具軸向位置可調(diào)的優(yōu)點。

但從實際應(yīng)用的角度來看，筆者認(rèn)為熱裝夾最為適合于高速切削加工的應(yīng)用，這是因為：三棱變形裝夾的夾頭加工難度很大，在高速加工中應(yīng)用時必須對其加工精度有較高的要求，在價格方面存在較大的劣勢。液壓夾頭相對與另外兩種來說屬于有夾緊元件的夾頭，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且其夾緊力比另外兩種小，不適合銑削加工，再有就是其價格過于高昂。

3.3 主軸前段膨脹徑向間隙清除的方法

如前所述，在高速切削加工中，主軸的前段存在著膨脹現(xiàn)象，這回使得刀柄與主軸前段的配合產(chǎn)生徑向間隙。這種間隙的存在對高速切削加工是十分不利的，它不但會影響到加工工件的質(zhì)量，而且還會加劇刀具、刀柄以及主軸的磨損。必須采取一定的措施予以清除。這里采用的方法是使刀柄受迫變形的方法來實現(xiàn)的。其具體過程為：在刀柄的軸向上施加一個恒定的力(力的大小是通過實驗的方法得到的)，當(dāng)力作用在刀柄的法蘭面上時，由于彈性形變，刀柄的徑向會變大，利用這個徑向變形量來填補刀柄與主軸前段的徑向間隙。其原理如圖2所示。

圖2 刀柄與主軸前段徑向間隙的清除原理圖Fig.2 The eliminated principle of radial clearance between knife-handle and forepart of principal-axis

3.4 關(guān)于保證軸向重復(fù)定位精度的問題的解決

在刀柄結(jié)構(gòu)設(shè)計中，人們所關(guān)心的一個最為重要的問題就是如何提高刀柄安裝的軸向重復(fù)定位精度，這對換刀具有非常重要的意義。

本設(shè)計中，不是以提高軸向重復(fù)定位精度為前提的。而是以如何檢測刀柄的軸向位置為出發(fā)點，進行刀具的軸向位置補償來提高其實際軸向定位的精度。其具體方法是將油缸與主軸軸套固聯(lián)，這樣油缸與主軸端面的相距距離就變成了一個已知量，通過位置傳感器可以測得刀柄的法蘭面與油缸間的距離。進而得到刀具加工點與主軸端面的距離。這樣做有兩個好處。一是清除了由采用法蘭面與錐面的過定位連接所引發(fā)的一系列缺點，二是在加工過程中檢測是實時進行的，可以實現(xiàn)對刀具的實時補償。

3.5 清除主軸單元動不平衡的措施

主軸單元動不平衡包括刀柄的動不平衡、主軸的動不平衡、刀柄與主軸連接的動不平衡的問題。這里假設(shè)刀柄與主軸都是經(jīng)過動平衡處理的，主要解決的是刀柄與主軸連接所引起的動不平衡的問題。

圖3 刀柄前端調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 The adjusting system configuration of forepart of knife-handle

解決旋轉(zhuǎn)體動不平衡的方法主要有添加或切去部分質(zhì)量和改變旋轉(zhuǎn)體內(nèi)部的質(zhì)量分布等兩種方法。其中應(yīng)用較多的是切去部分質(zhì)量和改變質(zhì)量分布的方法，前一種通常是在刀具和刀柄的制造過程中進行，由生產(chǎn)商完成的。后一種被用來進行刀柄與主軸連接后的動平衡的處理，這時可以用兩種來進行對主軸刀柄單元進行動平衡調(diào)整，即手動調(diào)整和自動在線調(diào)整，其中手動調(diào)整較為繁瑣，浪費了大量的加工時間。自動調(diào)整具有調(diào)整精度高，調(diào)整時間短等一系列優(yōu)點，已經(jīng)得到了廣大用戶的一再好評。

圖4 刀柄徑向剖視圖Fig.4 The radial cutaway view of knife-handle

關(guān)于動平衡的問題，采用添加部分質(zhì)量和改變其質(zhì)量分布相結(jié)合的方法來實現(xiàn)的，具體的作法是在刀柄的圓柱面上加工8個關(guān)于軸對稱的深孔，在調(diào)整過程中，根據(jù)外部傳感器的測量結(jié)果，判斷刀柄的質(zhì)量分布情況，向8個孔中的一個或兩個中添加一定質(zhì)量的液體，由于離心力的作用液體將會緊貼在孔的外端，以此來調(diào)整刀柄的動平衡。其徑向剖視圖如圖4所示。

3.6 智能刀柄控制系統(tǒng)的設(shè)計

結(jié)合實際需要現(xiàn)將智能刀柄的控制系統(tǒng)框圖給出，其內(nèi)容如圖5所示。

圖5 智能刀柄控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The control-system configuration of Intelligent knife-handle

4 結(jié)束語

在借鑒國外先進經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，立足于我國的刀具、材料、機床性能、技術(shù)條件，完成了一款可以滿足大多數(shù)加工需求的智能刀柄的設(shè)計工作?？梢灶A(yù)見，今后在刀柄自帶平衡裝置和減振裝置、多功能智能型刀柄、整個刀具系統(tǒng)的全自動在線平衡系統(tǒng)等方面將有較大的發(fā)展空間。

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