（机械设计及理论专业论文）高速切削中刀具联接系统应力变形分析.pdf

大连理工大学硕上学位论文 摘要 摘要 切削技术是机械制造行业的传统基础工艺之一，自二十世纪八十年代以来，制造技 术的全面进步，已把切削技术推向高速超高速切削的新阶段。加工系统由三大部分构 成，即机床、刀具联接系统和刀具切削部分。其中大功率、高速、高刚性机床已经上市， 同时高性能的切削刀具材料也已研制成功，相比之下，刀具的联接系统成为整个加工系 统的最薄弱环节之一。作为机床主轴与切削刀片之间的联接，刀具联接系统的作用有两 方面：是定位，二是夹紧。它在工作时，几个联接表面之间不可避免地存在一定的间 隙，这就会影响加工精度，并导致微小振动，使得加工表面质量差，刀具寿命缩短，尤 其是在高速旋转时更为明显。所以，刀具联接系统的性能提高对于整个加工系统来说， 具有熏要意义。 本文首先介绍了高速超高速切削技术的理论体系及其发展趋势，阐述了刀具联接 系统的研究现状；并从机床技术( 如高速主轴部件、迸给部件及其控制系统、加工测试 技术等) 和刀具技术( 如刀具材料、涂层技术等) 两个方面介绍了高速超高速切削技 术相关设备的发展、应用。 然后应用弹塑性力学理论，通过平衡方程、弹性本构方程、几何方程以及边界条件 的确立，建立了高速状态下刀具联接系统理论分析模型，对离心力作用下的模型的变形 做了理论分析，并计算出了高速旋转状态下刀柄的弹塑性极限转速。 最后，通过选取目前应用最为广泛的传统7 2 4 联接系统和最其有发展前景的h s k 联接系统，采用有限元方法和多项式拟合，研究了在高速状态下，离心力成为主要载荷 的情况下典型刀具联接系统的应力和应变情况，并分析了由于刀柄和主轴膨胀变形的不 同，而对于刀具联接系统的刚度和定位精度产生的影响。结果表明，i i s k 联接系统比7 2 4 联接更适合于高速加工。在此基础上，迸一步通过有限元模拟，分柝了轴向预紧力的大 小，公差及过盈量的变化对h s k 刀具联接系统性能的影响。 关键词：高速切削；联接系统：刀柄主轴：有限元方法；多项式拟合 大连理工大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h eh i g h s p e e dc u t t i n g ( h s c ) i sn o wr e c o g n i z e da so n eo ft h ek e ym a n u f a c t u r i n g t e c l m o l o g i e s f o r h i g hp r o d u c t i v i t y a n dt h r o u g h p u t t h em a i nc o m p o n e n t so fm a c h i n i n g s y s t e ma r et h em a c h i n et o o l ，t h et o o l h o l d e r s p i n d l ei n t e r f a c ea n d t h ec u r i n gt 0 0 1 m a c h i n e t o o l sw i t hh i g hr i g i d i t ya n dh i g hp o w e r h i g hr p ms p i n d l e sa r ea v a i l a b l e a sw e l la sh i g h p e r f o r m a n c ec u r i n g i n s e r t s t h ew e a k e s t p a r t s i nt h e m a c h i n i n gs y s t e m i st h e t o o l h o l d e r s p i n d l ei n t e r f a c es y s t e m ，w h o s e s t i f f n e s si s r e l a t i v e l yl o wa n dt h u sn e g a t e st h e e x p e n s i v ee f f o r t si n v e s t e d i ns t i f f i n gt h em a c h i n et o o ls t r u c t u r e i n t e r f a c es y s t e mm u s tp l a yt w oi m p o r t a n tr o l e ss i m u l t a n e o u s l y o n ei sp r e c i s i o nl o c a t i o n o ft h et o o l h o l d e rr e l a t i v et ot h es p i n d l e a n o t h e ri sc l a m p i n gt op r o v i d ea d e q u a t er i g i d i t yt o t h ec o n n e c t i o n w h e nt h es p i n d l er o t a t e sa th i g hs p e e d ，t h es p i n d l eb o r ea n dt h et o o l h o l d e r e l a s t i c a l l ye x p a n dd u e t ot h ei n c r e a s ei nc e n t r i f u g a lf o r c e a n dt h ec o n t a c ta tt h et a p e r e df a c e c o n s e q u e n t l y b e c o m e l o o s e l y t h i s w i l li n f l u e n c em a c h i n i n gp r e c i s i o n ，l e a dt oc h a t t e r v i b r a t i o n w o r s e nt h em a c h i n i n gs u r f a c eq u a l i t y , a n ds h e l r t e nt h et o o l l i f e t h i ss i t u a t i o nw i l l b ee s p e c i a l l ye v i d e n ta th i g hr o t a t i o ns p e e d t h e r e f o r ei t sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c e o f t o o li n t e r f a c es y s t e m f i r s t l y , t h et e c h n i c a ls y s t e mo f h s ca n di t sd e v e l o p m e n tt r e n dh a v eb e e nr e v i e w e d t h e a d v a n t a g e so f h s ch a v eb e e np r e s e n t e d ，a sw e l la st h ea p p l i c a t i o na n d r e c e n td e v e l o p m e n to f c u t t i n gt o o l sa n dm a c h i n et o o l sf o rh s c ，a n d t h e i rr e l a t e dt e c h n o l o g ye s p e c i a l l yi nt h el a s t d e c a d e t h em o d e io ft o o li n t e r f a c es y s t e mh a sb e e nb u i l tu pb a s e do ne q u i l i b r i u me q u a t i o n ， e l a s t i cc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i p ，s t r a i n d i s p l a c e m e n tr e l a t i o n s h i pa n db o u n d a r yc o n d i t i o n sb y u s i n gt h et h e o r yo fe l a s t i c i t ya n dp l a s t i c i t y t h e nt h ed e f o r m a t i o n d u et oc e n t r i f u g a lf o r c eo f t h em o d e lh a sb e e na n a l y z e da n dt h el i m i t i n gs p e e do f t h et o o l h o l d e rh a sb e e nc a l c u l a t e d ， a cl a s t t h es t a n d a r d7 2 4 t o o l h o l d e r s p i n d l e i n t e r f a c e ，w h i c h i st h em o s tp o p u l a r i n t e r f a c es y s t e m a n dh s ks y s t e m ( w h i c hi st h em o s tp r o m i n e n tn e wi n t e r f a c es y s t e m d e v e l o p e dd u r i n gt h el a s td e c a d e ) h a v eb e e ns e l e c t e d t o s t u d y u s i n gt h e f i n i t ee l e m e n t m e t h o da n dp o l y n o m i a lf i t t i n g ，t h ed e f o r m a t i o na n dc o n t a c tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no ft h e s e l e c t e di n t e r f a c ea th i g hr o t a t i o ns p e e dh a sb e e np r e c i s e l ys i m u l a t e d a n dt h ei n f l u e n c e so n t h ep e r f o r m a n c ei nt e r m so fa x i a la n dr a d i a ls t i f f n e s s ，a n dt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo ft h e t o o l i n gs y s t e mh a v eb e e na n a l y z e d 1 1 1 er e s u l t s i n d i c a t et h a th s kt o o li n t e r f a c ei sm o r e s u i t a b l et h a n7 ，2 4 t a p e r e d i n t e r f a c ef o r h i g hs p e e dm a c h i n i n g f i n a l l y , i n f l u e n c e o f i n t e r f e r e n c ea n da x i a lp r e l o a do nt h ep e r f o r m a n c eo fh s kt o o li n t e r f a c eh a sb e e ns u r v e y e d k e y w o r d s ：h i g hs p e e dc u t t i n g ；i n t e r f a c e ；t o o l h o l d e r s p i n d l e ；f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ； p o l y n o m i a lf i t t i n g 2 高速切削中刀具联接系统应力变形分析 1 1概述 第一章绪论 切酗技术是机械制造行业传统的基础工艺之一，切削速度的提高为机械制造业带来 了巨大的技术经济效益。自二十世纪八十年代以来，制造技术的全面进步，已把切削技 术推向高速切削( h i g hs p e e dc u t t i n g ) 的新阶段。1 1 。高速超高速切削已成为切削加 工的重要发展趋势之一，它不仅可以提高加工效率和加工精度，降低加工成本，而且可 以满足淬火钢等难切削材料的加工要求。高速切削技术所具有的一系列特色和在生产效 益方面的巨大潜力，使其成为美、德、日等国竞相研究的重要技术领域“。1 。 而目前我国的切削加工技术还停留在较低的水平上，机床所用的切削速度比先进工 业国家约低一个数量级”1 ，生产效率低，经济效益不好。近一个时期。人们热衷于搞自 动化，这无疑是正确的。但是如果忽视了切削技术本身的改进和提高，我国机械制造行 业整体水平的提高就会受到制约。 在当前的技术水平下，根据不同的刀具直径，通常把转速1 00 0 0 2 00 0 0 r m i n 以 上视为高速切削”3 。在高速旋转状态下，对刀具的材料、结构、装夹，机床的主轴、进 给驱动单元、c n c 系统和刀具联接系统都提出了特殊的要求。因为在这个转速范围以上， 离心力已成为主要载荷。在强大的离心力作用下，机床主轴和刀柄都要发生膨胀变形。 而它们的变形程度不同，刀柄就会产生相对于主轴的轴向及径向位移。由于这些原因， 在实际生产中往往会出现定位精度和连接刚度下降，振动加剧，甚至发生连接部位的咬 合等现象。另一方面，刀具整体不平衡性的影响随着转速的增加而加剧( 与转速的平方 成正比) 。随着转速的增加，常用刀具联接系统的可靠性下降，这样，由于强大的离 心力作用，将致使定位精度降低，刀体弯曲变形，甚至造成刀体破碎。一旦发生，就可 能造成人身伤害，同时会对机床设备、车间厂房、加工的工件造成严重的损坏，其直接 和潜在经济损失是巨大的。因此，刀具联接系统的性能至关重要。 而研究刀柄结构和主轴锥孔的结构尺寸，以及它们在高速状态下的变形和应力分布 情况，将有助于系统地解决刀具的高精度定位问题，此问题的解决不仅为高速及超高速 切削奠定基础，同时对精密和超精密加工机床主轴设计提供理论支持，对提高我国精密 与超精密加工的水平有着重要的意义。 1 2 高速超高速切削技术综述 超高速切削的概念起源于德国科学家s a l o m o n1 9 3 1 年4 月所提出的至今仍令人感 兴趣的2 个假设：在高速区，当切削速度超过切削温度最高的“死谷”区域，继续提高 切削速度将会使切削温度明显下降，同时单位切削力也会随之降低“_ ”。这在各国引起 了广泛的兴趣。 为了证实、应用s a l o m o n 切削理论，美国科学家做了许多开创性的工作。直到1 9 7 7 年，美国研制成功了第一台高频电主轴机床( 主轴最高转速达到1 80 0 0 r m i n ) ，才开始 高速切削中刀具联接系统应力变彤分析 了真正的高速切削试验“。高速铣削试验结果表明，在超高速切削条件下，绝大部分的 切削热被切屑迅速带走，其切屑温度比常规切削速度下的切屑温度高得多，而工件却基 本保持冷却状态。随着切削速度的提高，切削力还会相对下降，工件的表面质量因而得 到提高。与传统铣削相比较，其加工效率提高了3 6 倍，主切削力减少了3 0 以上， 切削温度明显下降，刀具耐用度提高，工件温升很小，加工表面质量明显提高。其后， 将高速加工应用于难加工材料( 如铝钛合金、纤维增强塑料、模具钢等) 的2 nt 中，大大 地提高了加工效率和加工质量，取得了极佳的效果。如今美国波音、休斯公司已大规模 采用数控超高速精密铣削技术加工飞机、汽车及模具制造用铝合金、钛合金。 二十世纪8 0 年代，受上述研究成果的鼓舞，工业发达国家纷纷投入大量的力量进 行高速加工关键技术的研究。德国在高速加工工具系统方面开展了卓有成效的工作，开 发了高速加工所必需的h s k ( 空心短锥) 工具联接系统“。日本在高速加工机床的研究与 开发方面居世界领先地位，已开发了主轴转速达1 5 00 0 0 r m i n 的数控铣床，预计不久 将出现主轴转速达2 0 00 0 0 r m i n 以上高速切削机床“。超高速切削已被日本先端技术 研究会列为五大现代制造技术之一。法国、瑞士、英国、俄罗斯、意大利等国家在高速 加工方面也做了许多研究。在我国“国家十五重点领域技术预测研究”和“先进制 造领域关键技术的分析论证”中，超高速切肖技术也被列为重大综合型项目和经济与社 会发展急需高技术项目“。 特别是进入9 0 年代，由于构成高速切削设备的关键部件质量、性能的不断提高， 新型结构的不断出现( 如直线滚动导轨、直线电机、新型刀柄、内冷却主轴、高速c n c 数控系统、新型床身结构等) ，使高速切削设备质量不断提高，商品化的部件使整机的 价格不断降低，超高速切削技术已日渐成熟，逐步走向工业实用化”“1 。超高速切削技 术已成为生产工程学科领域面向2 l 世纪的最重要的研究方向之一。 目前，高速切削技术已成为提高生产率，增加产量的一种关键技术。数控机床、加 工中心的使用，使得加工过程中工序间辅助加工时间大为缩短，而提高主轴的转速，则 可以缩短工件的在制时间。生产实践表明，与传统的常规切削相比，高速切削具有阻下 优点h t “1 ： 1 ) 材料切除率高，切削力低 在高速切削中，如果刀具切削厚度基本不变，进给速度比常规切削可相应提高5 1 0 倍，加工单位时间材料切除率可提高3 5 倍，而零件加工切削力可减少3 0 左右， 尤其是径向切削力大为减少。这使工件在切削过程中的变形明显减小，有利于提高加工 精度。 2 ) 热变形小 高速切削加工过程中，很高的进给速度使得9 5 的切削热被切屑带走，工件基本 上保持冷态，零件不会由于温升导致变形，因而，高速切削特别适合于加工容易产生热 变形的零件。 3 ) 加工表面质量高 高速切削机床激振频率很高，已远远超出“机床一刀具一工件”工艺系统的固有频 率范围( 5 0 3 0 0 h z ) ，这就使得零件加工处于“无振动”切削状态，获得较高的表面加 工质量。同时在高速切削速度下，积屑瘤、鳞刺、表面残余应力和加工硬化均受到抑制， 因此高速切削加工获得的表面加工质量几乎可以与磨削相比，有时高速切削加工可直接 高速切削中刀具联接系统应力变形分析 作为最后一道精加工工序。 4 ) 能耗低，节省制造资源 超高速切削时，单位功率所切削的切削层材料体积明显增大。以洛克希德飞机制造 公司的铝合金超高速铣削为例，主轴转速从4 0 0 0r m i n 提高到2 00 0 0r m i n 时，切削 力下降3 0 ，而材料切除率增加3 倍。单位功率的材料切除率可达1 3 0 1 6 0 a 1 13 m i n 瞅w ， 雨普通铣削仅为3 0 锄3i m i n k w 。由于切除率高、能耗低，工件在制的时间短，提高了 能源和材料的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例。 鉴于上述特性，高速切削加工应用非常广泛，尤其在航空、航天工业中已应用多年。 1 3 高速切削中的刀具联接系统 加工系统是由三大部分构成的，即机床、刀具联接系统和刀具切削部分。由于承受 着切削力所带来的最大弯矩，刀具联接系统的刚度和减震性很大程度上决定着加工系统 的有效刚度。在c n c 机床使用以前，可以通过把刀柄直接固定在主轴或刀架上而获得很 高的刚度。然而，在c n c 加工自动换刀系统中，对刀具主轴联接提出了特殊要求。除了 应保证刚度和力力矩传递能力，还要容易装夹拆卸，以保证快速可靠的换刀过程。 作为机床主轴与切削刀片之间的联接，刀具联接系统的作用有两方面：一是定位， 二是夹紧。它在工作时，几个联接表面之间不可避免地存在一定的间隙，这就会影响加 工精度，并导致微小振动，使得加工表面质量差，刀具寿命缩短，尤其是在高速旋转时 更为明显。所以，刀具联接系统的性能提高对于整个加工系统来说，具有重要意义。 近年来美、欧、日等加快了对新一代超高速加工中心、数控机床、工具系统的研究 和产业化开发进程。在刀具联接系统技术方面取得了很大的进展“。”“，目前对刀具 主轴联结研究较成功的设计主要有两大类：一是摒弃原有的7 1 2 4 标准锥度而采用新思 路的替代型设计，如德国的h s k 系列和美国的k m 系列刀具锥柄等。另一种是为降低成 本，仍采用现有的7 1 2 4 锥度的改进型设计，这种设计可实现现有主轴结构向高速化的 过渡，如美国的w s u 系列刀柄。 这些刀具联接系统都对传统联接系统做了各种改进，当然，它们仍然存在各种不同 的缺点或不足o ”。下面就几种常见联接结构的特点作一些介绍。 1 3 1 标准7 2 4 锥度联接 生产中最常见的标准( a n s ib 5 5 0 ，i s o7 3 8 8 ，d i n6 9 8 7 1 ，6 9 8 7 2 等) 7 2 4 锥度的联结 是种可靠、坚固且相对来说较经济的联结系统，目前市场上大量应用的仍是7 2 4 锥 度的工具系统。 该联接结构简单，成本较低，不自锁。然而7 2 4 锥度联结也存在着严重的缺陷， 原因主要在于其只在锥面接触，刀柄缺乏与主轴端面的接触，这样锥面必须同时起着两 方面的作用：使刀柄相对于主轴精确定位，还要对刀柄夹紧，以提供足够的联接刚度。 在高速情况下，主轴锥孔会由于离心力的作用产生膨胀变形。对于3 0 # 锥柄，主轴转速 为3 0 ，0 0 0 r p m 时，膨胀量达4 - 5 p m 。这使得刀柄将在轴向拉力的作用下产生轴向位移， 使轴向定位精度降低。 岛速切削中刀具联接系统应力变形分析 在1 8 0 标准中，7 2 4 锥度的配合公差规定主轴内锥孔的角度偏差为“一”，刀柄锥 体的角度偏差为“+ ”，以使配合的前端接触，这样在配合的后端就会产生间隙，导致 径向定位精度不足，接触面积变小，减弱了刚度，增加径向跳动和破坏结构的动平衡。 由于刀柄法兰端面和主轴端面不接触，再加上这个间隙的存在，当刀具所受弯矩超过拉 杆轴向拉力所产生的摩擦力矩时，就会形成以前端接触为支点的摆动从而，加速了前 端的磨损，形成“喇叭口”。 另外，7 2 4 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，联接的刚度可提高2 0 5 0 。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，影响轴承寿命。 随着高速切削技术的发展，高精度、大功率、高转速的机床的出现对联接的精度和 性能提出了更高的要求。传统7 2 4 锥度联结系统已逐渐不能满足高速切削的要求。 1 3 2 替代型设计 高速切削技术的应用，迫切需要开发和使用一种新的刀柄主轴联结系统，来代替 现有的大量的刀柄主轴联接系统，并保证其技术性和经济性都优于传统的7 2 4 大锥度 联结。在过去l o 1 5 年里开发的最突出的新的联结系统有平面齿轮联结，k m 系列，h s k 系列等。 ( 1 )“曲线耦合”结构 这种结构由两部分组成，每部分上面加工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、减震性能也较好，装卸刀具所需的 轴向移动量很小( 5 - - l o m m ) 。另一个让人感兴趣的特点是它的可维护性，如果一些齿被 擦伤或者由于其他方式局部损坏，受损的点可以很容易地用笔式研密机去除。由于总的 接触面积很大，这种小的修理不会影响联结性能。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要重新设 计，换刀时要使两部分齿形精确啮合需较长的调整时间，这影响了换刀速度。 ( 2 ) 瑞典s a n d v i cc o r o m a n t 公司的三棱锥结构 这种刀柄不是圆锥形，面是三棱锥，其棱为圆弧形，锥度为1 2 0 。它实现了锥面 与端面同时接触定位。三棱锥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。但是，三棱锥特别是主轴三棱锥孔加工困难，加工成本高， 与现有刀柄不兼容，配合会自锁。 ( 3 ) k m 系列 美国k e n n am e t e l 公司于1 9 8 7 年开发了i ( m 工具系统，最早用于车床，1 9 9 3 年用 于旋转刀具。这种工具系统采用1 1 0 短锥配合，锥体尾端有键槽。 锥柄的长度仅为标准7 2 4 锥柄长度的1 3 ，由于配合锥度较短，部分解决了端面 与锥面同时定位而产生的干涉问题，刀柄设计成中空结构，在拉杆轴向拉力的作用下， 短锥可径向收缩，实现端面与锥面同时接触定位。与其他类型的空心锥柄联结相比，相 4 高速切削中刀具联接系统应力变形分析 同法兰外径采用的锥柄直径较小，主轴锥孔在高速旋转时的扩张小，高速性能好。 这种系统的主要缺点是，主轴锥孔需要重新设计，与传统的7 2 4 锥度联结不兼容， 同时短锥的自锁会使换刀困难。由于相对较厚的内锥壁，和很大的总过盈量( k m 4 0 为 1 5 3 6 p m ，k m 5 0 为2 0 4 5 肛m ，k m 6 0 为2 5 5 0 p m ) ，主轴的膨胀可能比薄壁h s k 锥的 膨胀还要大的多。从而，主轴轴承必须安装在锥孑l 部分以外。联结中很高的接触力使得 它对污染相对比较敏感，因为外部的颗粒很有可能被挤压在锥面和端面接触处。夹紧需 由刀柄的法兰实现，这样就增加了刀具的悬伸量，对联结刚度有一定的削弱。 ( 4 ) h s k 刀柄 这种结构是由德国a a c h e n 大学的机床研究室专为高速机床主轴开发的种刀柄一 主轴联结机构。从1 9 8 6 年开始a a c h e n 大学联合一些工具和机床制造厂商进行h s k 空心 短锥柄工具系统的研究，并于1 9 9 1 年取得初步成果，在进一步的研究中，于1 9 9 3 年制 定了德国标准d i n 6 9 8 9 3 ( 现已成为i s o 标准) 。目前，德国开发出h s k ( 短锥空心柄) 连接方式和对刀具进行等级平衡及主轴自动平衡的系统技术，可用于2 00 0 0 4 6 0 0 0 r m i n 的超高速主轴“。 h s k 短锥刀柄采用1 ：l o 的锥度，其设计近似与k l 系列，锥体比标准的7 2 4 锥柄 短，锥柄部分采用薄壁结构，锥度配合的过盈量较小，对刀柄和主轴端部关键尺寸的公 差带要求特别严格，由于短锥面严格的公差和具有弹性的薄壁，在拉杆轴向拉力的作用 下，短锥有一定的收缩，所以刀柄的短锥面和端面很容易与主轴相应结合面紧密接触， 具有很高的联结精度和刚度。当主轴高速旋转时，尽管主轴端会产生扩张，短锥的收缩 得到部分伸张，仍能与主轴锥孔保持良好的接触，主轴转速对联结刚度的影响小。拉杆 通过楔形结构对刀柄施加轴向力。 1 3 3 改进型设计 由w a y n es t a t e 大学的e r i v i n 等人设计的w u s 一1 ，w u s - 2 联接系统，是以开发出 比普通7 2 4 锥度联结具有较好精度、刚度和高速性能，同时又能与现存的主轴和刀柄 兼容为出发点设计出来的。 传统7 2 4 锥度联接存在很多缺陷，主要是由于以下两个原因：1 ) 出于配合公差的 原因，锥度联接后部存在间隙，使得剐度下降，跳动增大：2 ) 刀柄法兰与主轴端面之 间存在间隙，使得刀柄轴向位置不确定。 这样，对7 2 4 锥度联接的改进可以从两方面入手：开发一种实现与主轴锥面端面 同时定位的刀柄，以消除上面所列举的缺点；消除后部的间隙，来提高刚度，减小跳动。 ( 1 ) 锥面和端面同时定位的w s u 一1 这种设计结构利用了“虚拟圆锥”的概念，以离散的弹性点或线元件形成一个锥面， 与主轴锥孔面接触( 见图1 - 1 ) 。实现这些点接触的元件都是弹性的；因此，当拉杆轴 向力使刀柄与主轴端面定位接触时，只会使刀柄的这些弹性元件变形，而不是整个刀柄 变形。这种方法不需要太大的拉力就可使接触端面获得希望的接触压力，也不会使主轴 膨胀，对接触面的污染不敏感。 高速切削中刀具联接系统应力变形分析 w u s - 1 刀柄需要的加工精度和标准7 2 4 刀柄相同。但它比具有相同法兰尺寸的标 准刀柄的直径小。锥柄的外表面套有由金属或塑料保持架固定的相同直径的滚珠，由滚 珠形成的虚拟锥的直径约比主轴内锥孔直径大5 - - 1 0 j x m 。在拉杆拉力作用下，滚珠发 生弹性变形，刀柄在主轴锥孔内移动，直到刀柄法兰与主轴端面接触为止。联结的变形 包括滚珠与刀具锥柄、滚珠与主轴锥孔的赫兹变形以及滚珠本身的变形。 监、。一一一：兰婺l 1 77 定 圄1 - iw s t h 刀柄与主轴联结结构 f i g l 一1t a p e ri n t e r f a c ew s u 一1w i t hs p h e r i c a le l a s t i ce | e m c r t t s 这种设计基本上解决了先进制造系统中与大锥度相关的问题。主轴的设计不需改 动；新的刀柄的加工也不比传统的标准刀柄更复杂；价格的差别也很小；刀具联接系统 安装在锥孔内部，这就提高了刀具的有效刚度。为减轻刀具重量和缩短换刀时间，锥柄 的长度可以缩短。这种联结实现了端面与锥面的同时接触定位，刚度和高速性能好。但 是弹性元件的加工精度要求很高，否则形成的虚拟锥体与主轴锥孔难以形成良好的配 合。并且弹性元件与锥孔还会产生永久变形，这对重复定位精度有影响。 ( 2 ) w s u 一2 结构 这是一种对标准7 2 4 锥度联接进行改进的结构。标准7 2 4 锥度联接的主要缺点是 配合区特别是其后段会出现间隙，使得精度、刚度下降。w s u 一2 就是基于消除这种间隙 的考虑而对标准7 2 4 锥度联接进行的改进。如图卜2 所示： 图卜2w s u - 2 刀柄设计方案 f i g 1 2m o d i f i e ds t c g pt a p e rt o o l h o l d e rw s u - 2 刀柄结构是在7 2 4 标准锥体的尾部加工有同轴凹槽，槽内安装有- - n 或几列同直 径的滚珠，滚珠形成的外包络直径稍大于刀柄与主轴锥孑l 配合时的间隙直径，滚珠固定 在橡睃或塑料保持架内。 高速切削中刀具联接系统应力变形分析 在装配过程中，滚珠及其接触区变形，就撑起了间隙。这个变形不但确保了刀柄在 主轴锥孔内的精确位置，而且由于防止了刀栖在接触区域前端的旋转，就增加了刀具末 端的刚度。结果，刀柄在主轴锥孔内的微动极大地减弱。精密滚珠应具有非常商的尺寸 精度，很好的弹性以及合理的价格。此方案解决了间隙问题，但是对同轴凹槽的加工精 度要求很高，高速时标准7 2 4 锥度联结出现的问题依然存在。因此不适合高速主轴与 刀具的联接。 1 4 论文内容简介 常规刀具联接系统无法适应高速切削的强度、刚性、精度的要求，因此需要对高速 回转类刀具系统的结构优化计算、综合定位精度问题、夹持零部件的可靠性及刀具联接 系统结构安全性等方面作系统的研究。本文的工作主要集中于高速旋转情况下刀具联接 系统的性能分析和理论试验研究方面。 在加工系统的三大部分机床、刀具联接系统和刀具切削部分中，大功率高速、高刚 性机床已经上市，同时高性能的切削刀具材料也已研制成功，最薄弱的环节就是刀具的 联接系统”“。因此，本课题的研究目标确定为研究在高速超高速切削时，离心力占主 导地位状态下，回转类刀具系统中结构的受力和变形情况，以提高刀具联接系统动态定 位精度问题；研究刀具联接系统的强度与刚度问题，实现刀体结构、紧固件布局的整体 优化；在理论分析的基础上，研究专门用于刀柄和主轴孔设计的有限元力学分析方法， 开发实用的计算机模拟分析软件。 针对高速旋转主轴的主要载荷为离心力时出现的问题，在具体工作方面，将初步进 行以下工作： 1 ) 研究高速切削中回转类刀具高速旋转时，在离心力占主导地位状态下，内空式 刀柄与主轴锥孔的膨胀变形量与应力分布问题； 2 ) 轴向预紧力与径向预紧力的大小对联接系统变形所受应力分布的影响； 3 ) 公差及过盈量对联接系统性能的影响； 4 ) 在理论分析的基础上，研究专门用于刀柄和主轴设计的有限元分析方法。 1 5 小结 以上主要是对国外产品的介绍，而在国内，还没有类似的标准化，系列化的产品。 通过对现有刀具联接系统的了解、分析，可看出其主要问题在于联结刚度、精度、动平 衡性、结构的复杂程度和制造成本等方面。 随着先进制造技术的发展，对加工精度和加工效率要求的不断提高，高速超高速 加工成为一种趋势，这使得刀具联接系统变得越来越重要，然而这方面的研究成果却不 多。对刀具联接系统的研究远没有对新型刀具材料以及刀具结构的研究吸引人们的注意 力。而主要刀具生产商也不愿支持大的刀具联接系统研发项目，因为相对刀片来说，联 接系统在其业务中所占份额较小。 目前，国外已经开发了几种适用于加工中心的刀具一主轴联接系统。然而，在理论 研究方面，无论国内还是国外，所见的成果都很少。在高速旋转情况下，主轴和刀柄的 高速切削中刀具联接系统应力变形分析 变形情况和接触面压力的分布情况还不十分清楚；刀柄和主轴锥孔之间的过盈量的确 定，预紧力的大小都有待做进一步的研究。而这些对于刀具刚度、定位精度及平衡等一 系列问题密切相关。 因此研究刀柄结构与尺寸，主轴锥孔的结构尺寸的关系，必将有利于刀具联接系统 性能的提高，并为新的联接系统的研究开发提供理沦基础，对提高我国加- r 伟, j 造业的水 平有着重要的意义。 高速切削中刀具联接系统应力变形分析 第二章高速切削技术 高速超高速切削并不单纯指机床主轴转速的提高，而是指产品加工过程中整体加 工时间的缩短，这涉及到整个加工系统的优化问题“- “。超高速切削技术是一项综合性 的技术，按其内容、特点和相互关系可分为技术原理、基础技术、单元技术和总体技术 四个层次，见图2 - 1 。 技术 原理 基础 技术 原理与 条件 切削力 温度 摩擦与 磨损 切屑 形成 高速构件 动特性 薹黧h 垂筹h 耋纛h 至耋萎h 橐麓鬟 具的材h 何与连h 电机、轴h 动件、支h 息处理技 料技术 li 接结构ll 承il 承件ii 术 单元ll 刀具设 技术l i 计制作 ii 釜亲衡 总体 技术 工具系 统 主轴单 元技术、 进给单 元技术 设备系 统 高速 c n c 技 术 控制系 统 监控检 测与安 全技术 信息系 统 图2 - 1 超高速切削的技术体系 f i g2 - lt e c h n i c a ls y s t e mo f u l t r ah i g h - s p e e dc u t t i n g 工艺数据 库及工艺 优化 其中技术原理是通过超高速切削、磨削实验和理论分析所揭示出的加工原理，对加 工过程的变形、力、温度、摩擦、磨损规律，超高速条件下加工系统各部分的稳定性、 可靠性及弹性扩展特性的分析。它为超高速切削技术提出基本要求并提供实验与理论依 据。基础技术和单元技术是实现超高速切削的关键所在，包括材料、构件、元件及部件 的设计和制造技术，控制和检测方法。这部分应用了许多技术领域( 如机械、电气、轴 承、控制等) 的最新成果。总体技术是各单元技术按应用特征和技术性能的进一步集成。 2 1 高速超高速切削技术的发展 虽然超高速切削技术日渐成熟，取得了许多令人瞩目的成就，但是随着制造观念的 更新和制造技术的全面进步，超高速理论在如下几个方面取得了新的发展m “1 ： 9 高速切削中刀具联接系统应力变形分析 l 、在干切削或准干切削状态下实现绿色超高速切削 通常在超高速切削时必须喷注足够的切削液，其主要目的在于对刀具和工件加工表 面进行冷却和对第二、第三变形区进行润滑。然而切削液都有一定程度的环境污染和资 源耗费。尤其是超高速切削时切削温度很高，切削量很大，其流量有时高达8 0 l o o l m i n 。大量切削液的使用造成了非常突出的负面影响： ( 1 ) 零件的生产成本大幅度提高，在零件加工的总成本中，切削液费用约占1 6 ， 而刀具的费用只占总成本的4 。 ( 2 ) 切削液容易蒸发和分解，造成较大的环境污染造，如把未经处理的切削液排入 江河湖海，就会污染土地、水源和空气，严重影响动植物的生长，破坏生态环境。 ( 3 ) 直接危害车间工人的身体健康。目前生产中广泛使用的水基切削液含有对人体 有害的化学成分。在切削( 磨削) 过程中，切削液受热挥发形成烟雾，在车问常常弥漫着 难闻的异味，会引起操作工人肺部和呼吸道的诸多疾病，人手和切削液直接接触，还会 诱发多种皮肤病，直接影响工人健康。 采用干切削或最小量雾化润滑( l ) 的准干切削方式，会从根本上改善切削的环 境状态，以达到工业生产的有关环保标准( i s 0 1 4 0 0 0 系列) 要求，同时节省对切削液 的直接投资和废液处理及环保费用。德国在这方面的研究处于领先水平。8 左右的德国 企业采用了干切削技术。到2 0 0 3 年，德国制造业将有2 0 以上采用干切削技术。美国、 日本等在采用干车削、干磨削、干镗削等都取得一定的成果。 2 、超高速切削工艺 目前，超高速切削的研究和应用主要针对铣、镗工艺，而孔加工( 钻、铰、攻丝) 工艺约占切削总量的3 0 以上，车削则是一种更为普遍的切削工艺。研究和开发这两种 加工中的超高速切削技术特别是对黑色金属合金的高速孔加工技术，将有利于机械行业 加工效益的全面提高。孔加工的难点在于刀具和加工区的温度都很高，孔内高速排屑困 难，特别是孔径方向的速度剃度很大时，有一些特殊规律，因此开发出耐高温磨损、排 屑效率高的刀具系统是实现超高速孔加工的关键。车削是工件旋转，不同的工件的尺寸、 重量和不平衡质量都会在较大的范围内变化，这就要求超高速车床的主轴系统有更高 的、更可靠的动态特性和自平衡能力。这也是高速车床和车削中心至今很少的一个主要 原因。 3 、难加工材料的超高速切削 难加工材料的加工性能很差，其切削过程符合金属切削的般原理和规律，同时也 有自己的显著特点：切削力大，材料的导热性差，切削温度高：加工硬化严重，刀具磨 损快；化学亲合力强，容易产生粘刀现象；高硬质点的摩擦作用：切屑难于处理。 例如，镁合金由于具有低密度和高强度的优良特性，加工镁合金也可采用很高的切 削速度，而且切削力很小，刀具寿命长。但镁合金燃点低( 6 5 0 ) ，在加工中必须进行 强力冷却，并把镁的切屑迅速从加工区运走。由此可见，镁合金的切削速度主要受限于 工件材料本身的易燃性。 铸铁和钢进行高速加工的最高速度，目前只能达到加工铝合金时的1 3 i 5 。其 原因是切削热使刀尖发生热破损。由此可见，加工黑色金属的最高速度主要受限于刀具 1 0 高速切削中刀具联接系统应力变形分析 材料的耐热性。 镍基、钴基、铁基和钛基合金等材料，其共同特点是在高温下能保持高强度和高的 耐腐性。它们的加工主要受限于刀具材料及其几何结构。 如今，难加工材料的使用越来越广泛，特别是国防工业中，这样的材料占有很大的 比例。通过深入研究难加工材料的切削特性，提高超硬刀具材料的稳定性，研制新型刀 具材料及制作工艺，开发出适合于难加工材料高速切削的刀具系统，将使其加工速度范 围有较大提高。 4 、基于新型检测技术的加工状态监控系统 主轴转速和进给速度的极大提高，一方面使工况监控比以往更为重要，另一方面对 监控系统的灵敏性、瞬时响应性及可靠性提出了更高的要求。这需要改进检测方法或采 用新的检测原理，采用质量轻、体积小，灵敏度高的新型传感器，并开发具有多项检测 功能的超高速切削监控系统。 2 2 数控机床和加工中心关键技术m 4 8 1 研制和开发超高速机床，是实现超高速切削的基本前提，超高速机床的工作性能主 要取决于高速主轴部件、高速进给部件及其控制系统、高刚度大阻尼的支承部件等。其 中主轴单元是超高速机床的核心部件，它的性能在很大程度上决定了机床所能达到的最 高转速和加工精度。 l 、大功率、超高速主轴单元技术研究 包括内装式高速大功率主轴电机及其矢量控制调速和监控系统，主轴材料、结构( 具 有与h s k 联接配合的锥孔) 、高速精密轴承陶瓷滚动轴承、动静液压混合轴承的设计与 开发；主轴系统动态特性及热特性的研究；柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究；主 轴单元的自动平衡装置；主轴系统的润滑与冷却技术的研究；主轴的多目标优化与虚拟 设计技术研究；主轴换刀技术的研究。 目前国际上最有名的大功率电主轴是瑞士f i s c h e r 公司的产品，他们的产品可实现 准停的变频驱动，变速精度在0 5 以内的优化矢量控制，带c 轴功能的矢量控制。在 这些主轴单元中，主轴套筒外径从3 3 2 5 0 m m 有十多个规格，最高转速可达 1 8 0 0 0 0 r m i n ，最大功率7 7 k w 。电主轴采用内装式主轴电机一体化主轴单元，电机定子 装配在主轴套筒内，转子和主轴的旋转部件做成一体。集成式电机主轴振动小由于直 接传动，减少了高精密齿轮等关键零件，消除了齿轮传动误差。 高速主轴的一个非常关键的问题是如何选择主轴支撑，即主轴轴承。目前较大功率 的电主轴多采用陶瓷滚珠球轴承、磁力悬浮轴承和液体动静压轴承。通常，主轴转速在 1 0 0 0 0 4 0 0 0 0 r m i n 时采用接触式陶瓷滚珠球轴承，在2 0 0 0 0 6 0 0 0 0 r m i n 时采用非接 触式液体动静压轴承和磁力悬浮轴承。 2 、超高速进给单元技术 包括高速直线进给电机的研究：高速位置芯片环的研制，高加减速控制技术、高速 精密交流伺服系统及电机的研究；系统惯量与伺服电机参数匹配关系的研究；精密滚珠 高速切削中刀具联接系统应力变形分析 丝杠副及大导程丝杠副的研制等。 高速进给系统的快移速度达4 0 m m i n 一8 0 m m i n ，切削进给速度达到2 4 m m i n 6 0 m m i n ，加减速度大于