（机械制造及其自动化专业论文）高速刀具系统的极限夹紧状态特性研究.pdfVIP

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 随着现代高速切削技术的迅速发展，对工件加工精度的要求越来越高，刀具 夹头对刀具的夹紧成为影响加工精度的一个主要因素。能否在高速切削中，刀柄 的夹紧不会失效，这是一个极其重要的问题。本课题的研究就是围绕上述问题而 展开的。 本文主要是针对弹性夹头刀具系统、热膨胀夹头刀具系统和液压膨胀夹头刀 具系统以及高速铣削主轴的夹紧系统，在高速铣削状态下的变形状态进行研究， 其目的是对高速刀具系统的变形有一个较好的了解与其能正确的使用。 在第一章中简要的介绍了高速刀具与刀柄技术的发展与结构形式；在第二章 中论述了高速刀具系统的工作过程与变形状态。 本论文的重点在其后的几章中，第三章是主轴刀柄的有限元模型的建立，模 型计算和模型简化，并利用a n s y s 有限元分析软件进行静力分析，分析出主轴 刀柄联接可能出现的失效。 第四章是对特定的三种结构的高速刀具系统进行了极限夹紧状态研究，用有 限元对10 0 0 0 r m i n 、2 0 0 0 0 r m i n 、3 0 0 0 0 r m i n 、4 0 0 0 0 r m i n 和5 0 0 0 0 r m i n 四种高转 速下的变形状态进行了研究。 第五章是四种高转速下变形状态的结果进行了详细的分析与比较，给出了有 效的接触长度和变形的分布规律。 最后对我的研究成果给出了相应的结论。 关键词：高速切削；铣削刀具；有限元分析；刀柄变形 a b s t r a c t w i t l lm er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mh i g h - s p e e dc u t t i n gt e c h n o l o g y ，p e o p l eh a v e 1 1 i 曲d e m a n do nm em a c h i n i n ga c c u r a c y ，s om ei m p a c to f t h ec l m c ko nt o o lc 1 锄p i n g b e c o m e ( n eo ft h em a i nf a c t o r st h a ta f j f e c tt h em a c h i n i n ga c c u r a c y w h e t h e rm ec l 锄p o fm eh il tc a l lb es u s t a i n e dl o n g - t e mb e c o m ea j le x t r e m e l yi m p o r t a i l tp r o b l e m t h i s s m d yi sd l e v e l o p e da r o u l l dt h ea b o v ep r o b l e m s t h i sp a p e ri sm a i l l l yd i r e c t e da g a i n s tt h ee l a s t i cc o l l e tc h u c kt o o ls y s t 锄，t h e r m a l e x p a n s i o nt o o ls y s t e ma i l dh y d r a u l i ce x p a n d i n gc h u c kt 0 0 1s y s t e ma i l da l s oh i 曲s p e e d m i l l i n gs p i n d l ec l 锄p i n gs y s t 锄，i nh i 曲s p e e dm i l l i n gc o n d i t i o n so nd e f o m l a t i o nt o r e s e a r c h ，瓶p u 印o s ei st oh a v eab e t t e ru n d e r s t a i l d i n ga n dc o r r e c t u s ei nt h ed e f o n l l a t i o n o fh i 曲s p e e dc u t t i n gt 0 0 1s y s t e m i nt ：h e6 r s tc h a p t e ri t b r i e n yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n ds t r u c t u r eo ft h e h i 曲一s p e ( 通t o o la n dt o o l h o l d e rt e c h n 0 1 0 9 y i nt h es e c o n dc h 印t e ri t d i s c u s s e st h e h i 曲- s p e ；dc u t t i n gt o o ls y s t e mw o r kp r o c e s sa n dd e f 0 肌a t i o ns t a t e i nt h es e c o n d c h 印t e ri 1 d i s c u s s e st h ew o r kp r o c e s sa n dd e f o m l a t i o ns t a t eo ft h eh i 曲- s p e e dc u t t i n g t o o ls y s t e 疆n t h e 内c u s o f “sp 印e ri st h ef o l l o w i n gc h a p t e r s ，t h et h i r dc h a p t e ri sm o d e l i n gt h e t 0 0 1 h o l d e s p i n d l ef i n i t ee l e m e n t ，m o d e lc a l c u l a t i n ga 1 1 di t ss i m p l i f 弭n gt h e nu s ef i n i t e e l e m e n ta 1 1 a l y s i ss o r w a r ea n s y st od os o m es t a t i c a 1 1 a l y s i s t h ef a i lo fs p i n d l e t 0 0 1 h 0 1 d e rc o n n e c t i o n t h ef o u r t l lc h 印t e ri s s t u d y i n gt h e1 i m i t i n gc l a m p i n gs t a t eu n d e rt 1 1 es p e c i f i c s t r u c t l 】r eo ft h r e ek i n d so f h i g hs p e e dc u t t i n gt o o ls y s t e ma n du s ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t os t u d yt h ed e f o n l l a t i o na t1o o o o r m i n ，2 0 0 0 0 r m i n ，3 0 0 0 0 r m i n ，4 0 0 0 0 r m i na n d 5 0 0 0 0 r r i - l i nf o u rh i 曲s p e e d t h ef i f mc h 印t e ri s a n a l y z i n ga n dc o m p 撕n gt h ed e f o m a t i o nr e s u l t si nt h ef - o u r 1 1 i 曲s p e e ：ds t a t em e n 百v et h ee f 诧c t i v ec o n t a c tl e n 舀ha n dd e f o m a t i o nd i s t r i b u t i o nl a w 沈阳理工大学硕士学位论丈 一_ - _ _ - - _ - - - _ _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ 一 f i n a l l yt h er e s u l t so fm y r e s e a r c hc o n c l u s i o ni s 酉v e n k r e yw o r d s ：h i 曲s p e e dc u t t i n g ，m i l l i n gc u t t e r ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t o o l h o l d e r ( 1 e 内n n a t i o n 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题研究的背景和意义 1 1 1 课题研究的背景 高速加工作为一种先进的切削技术，自二十世纪八十年代以来得到了日益广 泛的应用【l 。3 】。高速加工采用远高于常规加工的切削速度和进给速度，不仅可提高 加工效率，缩短加工工时，而且还降低成本。目前，工业发达国家对高速加工技 术的研究和应用主要用于生产，并受到重视：日本先端技术研究会将其列为五大 现代制造技术之一【4 】；国际生产工程学会( c i r p ) 将其确定为本世纪的中心研究 方向之一；德国把高速切削列入当代金属加工最重要的研究领域之一【5 】；美国切削 加工已经成为发展的主流6 1 。我国把高速、超高速、超精密作为主要的发展趋势 7 9 1 。 高速加工的发展明显提高机械加工的生产效率和加工精度，因此人们把高速加工 技术的出现当做机械加工发展中的里程碑 10 1 ，高速加工技术的研究、开发已成为 现代切削技术所面临的重大任务。 高速加工( h i 曲s p e e dc u t t i n g ，简称h s c ) 通常是指在高于常规加工速度5 1 0 倍的条件下进行的切削加工。目前各国对高速切削的速度范围没有统一的定义， 有时候也称为超高速加工( u l t r a - h i 出s p e e dc u t t i n g ) 。 随着高速切削技术的发展和高速镗铣加工中心等高性能机床的不断开发，高 速铣削技术广泛应用于航空、航天、汽车和模具等制造行业 1 1 ，1 2 】。随着数控机床的 普及应用和切削加工向高速、高精度方向发展，对带柄刀具的夹紧系统提出很高 的要求，传统的刀具夹紧方法已不能满足新的需求而成为制约刀具性能发挥的瓶 颈。为此，近些年来国外相继开发了一些夹紧精度高、传递扭矩大、结构对称性 好、外形尺寸小的新型刀具夹头。如力膨胀刀具夹头、液压膨胀刀具夹头、热收 缩刀具夹头和高精度弹性刀具夹头【1 3 】。刀具夹头对刀具的夹紧影响加工工件的质 量、粗糙度，因此高速加工刀具央头的理论研究尤其必要。 而研究刀柄结构和刀具结构，以及它们在高速旋转状态下的配合接触特性与 沈阳理工大学硕士学位论文 径向变形和应力分布情况，能够系统地解决刀具定位和夹紧问题。而解决这问题 ：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基础 提供理论支持，对我国精密与超精密加工的发展起着重要的作用。 1 1 2 课题研究的意义 本课题研究的意义在于高速铣削加工是一种动态的受力加工过程，要求刀柄 系统除了具有合理的结构、形状和尺寸外，还要保证刀柄系统在承受高的切削负 荷后具有高的刚性，保证切削加工过程的正常进行。 对于不同结构刀柄来说，要保证在高速旋转状态下的正常工作，刀柄的性能 特性尤为重要。其性能特性有：主轴内锥孔和刀柄锥面互相接触的状态；刀柄装 夹刀具接触的状态，而后者几乎没有学者在进行研究。因此研究刀柄装夹刀：具性 能尤为重要。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国内发展现状 洛阳轴研科技股份有限公司的商顺德、黄昆描述了手动换刀的刀具夹紧方式 和自动松拉刀系统【1 钔。 手动夹紧方式，通常采用夹头自带螺纹式或螺母压紧式弹簧夹头夹紧的一种 普通的刀具夹紧，如e r 系列夹头等，它常用于般的机械加工机床上。 图1 1 是e r 型夹头夹紧方式，它是一种常用的手动夹紧方式。 图1 1e r 型夹头夹紧方式 1 夹头2 转轴3 锁紧压帽4 刀具 在换刀时，人工用扳手拧松螺母3 ，更换刀具后再拧紧螺母3 ，换刀具过程较 2 第1 章绪论 为繁琐。这系列夹头精度一般较低，根据不同的夹头尺寸，质量最好的夹头精度 其跳动范围在0 0 1 2 o 0 2 m m 左右。在高速旋转工作时，由于夹头自身结构的原因， 很大长度上影响主轴的动平衡。优点是电主轴结构简单，夹紧可靠，制造非常容 易，一般在转速较低的钻铣削用电主轴中使用。 自动松拉刀系统的刀具夹紧结构可以分为碟形弹簧后置和碟形弹簧前置两种 形式。 碟形弹簧后置式夹紧结构，如图1 2 所示。碟形弹簧安装在后螺母内，拉杆比 较长，影响主轴的动平衡。这种结构形式的碟形弹簧在损坏后可以方便、迅速地 取出，动轴承的钻、铣削主轴上使用。 ! 图1 ：2 蝶形弹簧后置夹紧结构 1 壳体部分2 拉杆3 蝶形弹簧 4 转轴5 夹头6 刀具 图1 3 蝶形弹簧前置夹紧结构 1 蝶形弹簧2 拉杆3 转轴 4 后止推轴承板5 止推轴承片 6 前止推轴承板7 夹头8 刀具 碟形弹簧前置式夹紧结构，如图1 3 所示。常用在气静压支撑的钻、铣削主轴 上的刀具夹紧结构。松刀过程中转轴3 下移，拉紧止推轴承5 和前止推轴承板6 之间 的距离，松刀力直接作用在前止推轴承板6 上，因为前止推轴承板6 是板形刚体， 可承受足够的作用力，松刀力不会影响前止推轴承板6 。因此气静压主轴通常采用 沈阳理工大学硕士学位论：丈 缸体固定式气缸。这种结构形式中，碟形弹簧安装在转轴3 的前部，拉杆比较短， 对主轴的动平衡影响较小，但转轴3 的内孔要有的空间，能把碟形弹簧安装在其中 间，只有气浮轴承主轴可以满足需要。由于尺寸的制约，目前使用中的碟形弹簧 前置结构中碟形弹簧都是不能拆卸的，这种结构的一个缺点是一旦碟形弹簧损坏， 转轴一般就不可再修复。 1 2 2 国外发展现状 德国雄克s c h u n k 公司力膨胀刀具夹头是采用夹头本身的变形来夹紧刀具，也 称应力锁紧式刀具夹持器【1 3 ，1 5 。18 1 。力膨胀夹头的内孔在自由状态下为三棱形( 图 1 4 a ) ，三棱的内切圆直径小于要装夹的刀具直径。 刀具装夹时，利用一个液压加力装置，对夹头加压，使夹头弹性变形，其内 孔变为圆孔( 图1 4 b ) ，孔径略大于刀具直径，然后把刀具插入( 图1 4 c ) ，卸掉所 施加的外力，利用夹头弹性回复力夹紧刀具( 图1 们) 。其定位精度可控制在3 肛m 以内。 夹头加压，拿下刀具，撤除外力，使夹头弹性回复，其内孔重新变为三棱形。 溅瀵甏 ( a ) 夹紧孔呈三棱形( b ) 受力后夹头孔呈圆形 装入刀具 刀 蔽 夹紧 ( c ) 插入刀具( d ) 撤除外力夹头夹紧刀具 图1 4 力膨胀刀具夹头( 德国雄克s c l n l n k 公司) 力膨胀刀具夹头优点在于装夹精度高，操作简单，结构紧凑，造价较低。缺 第1 章绪论 点是需备有一个辅助的加力装置。 德国雄克公司生产的t r i b o s 刀具夹持装置包括刀具加长杆和刀具夹头两种 形式。一种形式是刀具加长杆，在加工空间非常受限制的场合，往往需要极细长 的刀具夹头或加长杆。另一种形式是完整的刀具夹头，不仅可夹持刀具而且可直 接与机床主轴联接。t b o s 一全新的刀具夹紧装置正是为适应这种需要而研制开 发的。t i l - i b o s 的刀具装夹孔具有经精确计算而设计的轴对称特殊多边形，借助于 一个特制的加载装置对其施加压力，迫使夹持孔在弹性变形的范围内变成圆形， 从而顺利。地将刀具装入孔内，卸载后刀具即被巨大的变形恢复力牢固地夹紧。 t r i l 3 0 s 刀具加长杆和刀具夹头在模具制造、汽车发动机制造以及航空航天制 造领域得到了极为广泛的应用。t r i b o s 刀具夹持器的主要特点是夹持部位的外径 可以很大长度地减小到所希望的尺寸。 德国雄克公司液压膨胀刀具夹头的结构原理如图1 5 所示，主要特点是液压夹 紧结构【m ，1 7 。9 1 。环形封闭油腔位于夹头主体与装夹孔的膨胀壁之问，油腔内装满专 用液压油，液压油能均匀传递到油腔的每个部分，同时增加结构阻尼，改善液压 夹头的动力学性能，对减少振动和提高加工质量起到主要影响。通过精确计算设 定装夹孔的膨胀壁，容易产生弹性变形，膨胀量通过油压值确定。夹紧时，装夹 孔内壁的环槽可以容纳装夹孔内壁与被夹刀具之间的残余润滑物，但是需要保持 夹紧孔内壁的清洁和干燥，以保证扭矩的传递。 图1 5 液压膨胀刀具夹头 当用内六角扳手拧紧加压螺栓时，提高液压油的压力，使闭合油腔中每个部 分的油压相同，同时油腔内壁均匀膨胀和均匀地在轴向方向夹紧刀具；当松丌加 沈阳理工大学硕士学位论文 压螺栓时，油压下降，夹紧孔内壁直径回到弹性恢复操作下的初始状态，刀具松 开。 液压膨胀刀具夹头特点： 液压膨胀刀具夹头是采用静压膨胀原理和极佳技术性能的超精密刀具夹头。 优点是刀具中心轴线与夹头中心轴线同轴度很高，夹持回转精度高( o 0 0 3 m m ) ； 重复精度( o 0 0 2 m m ) ；稳定的夹持力；传递较高的扭矩；很好的阻尼减振性能； 夹紧系统具有全封闭结构，无磨损，长期使用；装、卸操作方便。缺点是对刀具 的尺寸公差要求较严，过松时，可能达不到应有的夹持力。 德国雄克公司生产的可靠稳定夹持力的液压膨胀刀具夹头，可传递较大的扭 矩如表1 1 所示。 表1 1 雄克公司液压膨胀刀具夹头直接夹紧所能传递的扭矩 如需要更高的转速进行切削加工，经过更精细的动平衡，液压膨胀刀具夹头 的工作转速可达到5 0 0 0 0 r m i n 。在德国达姆施塔特生产技术和切削机床研究所实行 的测试中，雄克公司液压膨胀刀具夹头转速为1 0 0 0 ( 1 0 r m i n 时也能保持很好的力学 性能。 雄克液压膨胀夹紧不仅应用于刀具夹头，而且还广泛应用，若机械式夹紧不 能正常工作时( 如精度不够、夹紧后： 件变形过大等) ，液压膨胀夹头也能正常工 作。 美国t m s m i t h 公司热收缩刀具夹头的结构原理如图1 6 所示m 2 。采用材料的 热胀冷缩的原理，把刀具装入刀柄，先应用感应加热装置对刀具夹持部分迅速加 热，待其内径受热膨胀后快速插入刀具，夹头冷却后，形成刀杆与夹头部分的过 盈连接。 热收缩夹头特点： 优点是夹头外形细长；振摆精度高；夹紧力大；能适应高速回转；便于接近 ： 件；可采用内冷却方式。缺点是操作不便，每次装央需要配套的感应加热装置 与冷却套，易引起刀柄的热疲劳和变形。 图1 6 热收缩夹头结构图 德国o t t ob i l z 公司新开发的，热装夹头保存了以往热装工具系统的优点， 改善了操作性能，提高了此系统的实用水平。 t h e l m o 蛳p 采用具有高能场的感应加热线圈，可在短时间内完成工具交换。 系统开始工作后，加热线圈随空气压力而下降，降至预定位置开始加热。加热时 间跟刀具直径大小有关，但波动范围5 1 0 秒。由于加热时间短，热量不能传递到 夹头以外的部位。 o t l l ob i l z 公司开发出一种冷却衬套，用于t h e m o 嘶p 工具系统的冷却，可 缩短冷却时间。衬套可直接与被加热的t h e 肌。酊p 夹头的外圆接触，将热量尽快 传导到冷却棱条上。棱条具有1 0 倍的散热效果，通过这些棱条可起到强制冷却的 作用。采用此种冷却装置，可保证在6 0 秒内使刀柄温度降到安全使用的程度。 t h e l l n o 酊p 工具系统有自己独特的优点： ( 1 ) 收缩迅速。配有特制的冷却衬套，刀具安装或取下后，夹头在衬套内迅 速冷却，冷却时间在6 0 秒以内。 ( 2 ) 可用高速钢制作。为了减少热量传进刀柄，夹头用硬质合金材料固然很 好，但价格很贵，因此可选用热膨胀系数与刀具相同的高速钢制作。 ( 3 ) 安全可靠。加热为局部加热，刀具性能不会受加热影响；冷却采用冷却 衬套，操作者不直接与发热的夹具和刀具接触，可保证操作人的安全。 ( 4 ) 节省能耗。t h e h n o 酣p 整体加热至2 0 0 0 c 约需1 0 0 k j 能量，但是该系统 只加热夹头部分，因此能耗可降到2 0 k j 左右，冷却时间也成比例缩短，节能效果 姿堕堡三奎堂堡主堂垡笙銮 明显。 ( 5 ) 使用寿命长。系统使用热处理规范，加热温度在4 0 0 。c 以下，这种温度 远低于引起材质内部组织变化的温度。因此重复使用，夹头精度也很高，硬度下 降很少，同心度基本不变。 ( 6 ) 有刀具预调功能。刀具所需长度可在夹头冷缩之前进行调整。o t t o b i l z 公司的t h e n n 0 鲥p 工具系统振摆精度3 p m ，平衡精度方面，b t 4 0 b t 5 0 型为 g 6 3 1 5 0 0 眦i i l i n ，h s k 6 3 h s k l o o a 型为g 2 5 1 5 0 0 吲m i n 。系统的尺寸规格有6 3 2 m m 。 高精度弹性刀具夹头工作原理如图1 7 所示【2 2 】。通过旋紧螺母，压入套筒，缩 小套筒内径，夹紧刀具，夹头本身内孔的精度、套筒外面的锥面精度、螺纹精度 和夹持孔的精度影响夹持刀具的精度，还有套筒与螺母接触面精度和套简与刀柄 接触面精度也非常重要。 螺帽 筒夹 图1 7 高精度弹性夹头结构阉 第1 章绪论 弹性夹头又称弹性筒夹，是一种装在钻铣床上的钻铣夹头，其功能是夹紧铣 刀。目前用的最多的是e r 弹性筒夹。其性能稳定，精度高。日本株式会社的弹性 夹头夹持精度如表1 2 所示。 表1 2 弹性夹头夹持精度 弹性夹头压入形式如图1 8 所示。 ( a 。) 普通的设计( b ) b i g 的设计 图1 8 弹性夹头的夹紧原理图 普通的压入形式如图1 8 ( a ) 所示，螺母锁紧过程中，套筒与螺母接触面之问 有相对运动。不仅使套筒承受扭力作用，并且接触面之间产生磨损，获得良好夹 持精度很难。日本大昭和精机株式会社高精度弹性夹头压入形式如图1 8 ( b ) 所示， 螺母分为内、外两部分，中间安装滚珠轴承，在螺母瞬问接触套筒时，螺母内侧 的部分会停止转动，而与套筒之问无相对的运动，螺母的锁紧力全部转化成对套 筒的压力，该压入方式使夹头获得较大的夹持力和较高的夹持精度。 瑞士r e g o f i x 公司开发的刀具装夹系统p o w r 鲥p 。该系统可显著提高装夹精 度，减少刀具磨损，提高切削效率。 该系统由刀柄、夹紧套和液压装置组成。夹紧套的外圆有一个很小的锥度， 把刀具装入夹紧套后，借助液压装置将夹紧套压入刀柄，夹紧刀具。卸刀时也需 要使用液压装置取出夹紧套。装卸刀具的时问不超过1 0 秒钟。夹紧套内有一个调 节刀具长度的螺钉。 综合上面所述，高速加工用的刀具夹紧技术的比较如表1 3 所示。 沈阳理工大学硕士学位论：史 1 3 有限元技术在高速刀具系统中的应用 有限元法是在电子计算机诞生后使用的一种有效的数值计算方法。广泛用于 各个工程领域问题的求解 2 3 1 。 有限元技术在切削加工中的应用很多，大多数集中在对切削加工过程的模拟 与仿真研究上【2 4 。3 0 1 。高速铣削加工过程中刀具系统在有限元技术方面的研究有： 文献【3 l 】研究了h s k 刀柄的许用扭矩、径向刚度和极限转速；文献 3 2 】用有限元方法 模拟预紧力、过盈量、转速等参数对联接性能的影响规律，最后对联接系统进行 模态分析，得到其固有频率和临界转速；文献【3 3 采用先进的非线性有限元技术分 第1 章绪论 析h s k 主轴一刀具联结的接触应力和变形的分布；文献【3 4 】通过数值分析并研究了 h s k 刀具在主轴转速下联接接触面的径向刚度；文献【3 5 】应用有限元和可靠性分析 法对h s k 刀具系统的接触应力随夹紧力、过盈量以及转速的变化情况和锥面配合 的可靠性进行了研究；文献【3 6 1 研究h s k 主轴刀柄配合精度；文献3 7 3 9 1 应用有限元 法对小直径的铣刀进行高速铣削淬硬钢的刀刃冲击分析、振动分析、切削数值模 拟等方面进行探索；文献【4 0 啦】用有限元技术系统研究了高速铣削加工中h s k 刀柄 和主轴连接的特性；文献 4 3 】对热缩夹头与刀具的组合刚性当量和加工稳定性进行 研究；文献【4 4 】研究了高速旋转时刀具系统的动平衡。总结以上文献，目前，可以 知道有限元技术的主要研究集中在高速铣削加工刀具系统中的刀柄与主轴连接的 特性上，主要包括刀柄和主轴接触分析、变形分析和应力分析、刚度分析等；还 对单个的刀具的进行变形分析、动力学的特性分析。研究表明利用有限元技术对 高速铣削加工的刀柄一刀具配合的有关内容没有分析，需要进一步研究和深入。 1 4 课题研究内容 高速加工是近年来在切削领域中的重点研究课题之一。高速加工过程是刀具 在机床上对工件进行相对切削运动而实现的。此时，刀具装夹在刀柄中，刀柄安 装在数控机床的主轴锥孔内，在加工中始终保持它们之间正确的位置，就可加工 出高精度的零件。主要对刀柄一刀具联接进行研究。研究内容如下： 第1 章概述了刀具夹头的国内外状况，及有限元法对刀具系统的研究进行介 绍，对刀具系统的研究只体现在刀柄安装在主轴锥孔内，而对刀柄与刀具的联接 基本没研究，因此提出本课题研究的意义。 第2 章研究了高速铣削加工特点及对刀具系统的要求，刀具系统和刀具材料 的应用和性能，为研究刀具系统选择材料。 第3 章介绍了有限元法和接触分析，并对刀柄与主轴联接进行分析。 第4 章对弹性夹头刀具、热收缩夹头刀具和液压膨胀夹头刀具进行三维建模 并进行心j s y s 分析。 第5 章主要进行a n s y s 分析，改变参数研究刀柄装夹刀具的特性。 沈阳理工大学硕士学位论：丈 第2 章高速铣削刀具系统和刀具 2 1 高速加工 高速加工( h s m ) 是指在高切削速度和大进给量下使用超高硬度材料制造的 刀具，实现材料去除率、高加工精度和高加工质量的一种现代加工方法，高速加 工是集合材料学、工程力学、信息学、控制理论和先进制造技术的一种加工新技 术【4 5 1 。 普通铣削加工采用低的进给速度和大的切削参数，而高速铣削加工则采用较 高的进给速度和较小的切削参数。高速铣削加工相对于普通铣削加工具有如下特 占【4 6 】 ， ( 1 ) 高效。高速铣削的主轴转速一般为15 0 0 0 1 m i n 4 0 0 0 0 r m i n ，最高可达1 0 0 0 0 0 r m i n 。在切削钢时，其切削速度约为4 0 0 m m 。i n ，比传统的铣削加工高5 1 o 倍；在加工模具型腔时与传统的加工方法( 传统铣削、电火花成形加工等) 相比 其效率提高4 5 倍。 ( 2 ) 高精度。高速铣削加工精度一般为1 0 “m ，有的精度还要高。 ( 3 ) 高的表面质量。由于高速铣削时工件温升小( 约为3 0 c ) ，故表面没有变 质层及微裂纹，热变形也小。最好的表面粗糙度r a 小于1 斗m ，减少了后续磨削及 抛光工作量。 ( 4 ) 可加工高硬度材料。可铣削5 0 5 4 h r c 的钢材，铣削的最高硬度可达 到6 0 h r c 。 由于高速加工具备上述优点，所以高速加工在模具制造中得到广泛应用。 在现代模具生产中，随着对塑件的美观度及功能要求越来越高，塑件内部结 构设计得越来越复杂，模具的外形设计也日趋复杂，自由曲面所占比例不断增加， 相应的模具结构也设计得越来越复杂。这些都在模具加工中提出更高的技术要求， 不仅要保证零件高制造精度与表面的加工质量，而且要保证加工零件表面美观。 随着高速加工的技术研究的不断深入，尤其在数控系统、加工机床、c a d c a m 软 第2 章高速铣削刀具系统和刀具 件、刀具系统等有关技术的不断发展和研究的推动下，高速加工的技术很广泛地 用于模具：型腔的加工与制造中。 在模：具的高淬硬钢件( h r c 4 5 h r c 6 5 ) 的加工过程中，采用高速切削可以 取代磨削抛光和电加工的工序，从而避免了电极的制造和电加工的费时，大幅度 减少了钳工的打磨与抛光量。对于一些薄壁模具的工件越来越被市场所需要，通 过高速铣削可以顺利完成，模具在高速铣削的c n c 加工中心上一次装夹就可以完 成多工步加工。 模具加工的工艺在高速加工技术上产生了很大的影响，改变了传统模具加工 采用的“退火_ 铣削加工_ 热处理- 磨削”或“电火花加工- 手工打磨、抛光” 等复杂且冗长的工艺加工流程，原来的所有全部工序可被高速切削加工所替代。 高速加工的技术不仅直接应用于淬硬的模具型腔的加工( 半精加工、精加工) 外， 还在e d m 电极的加工、快速零件制造等方面得到了广泛应用。大量的生产实践说 明，使用高速切削技术能够节省模具在后续加工中需要手工研磨时问的8 0 ，加 工成本的费用节约近3 0 ，模具表面加工精度可达1 m ，刀具切削效率可以提高l | 立 i 口o 2 2 高速加工对刀具系统的要求 高速加工不仅仅是主轴转速的提高，而是指整体加工时间的缩短。因此，高 速加工不仅要求刀具具有很高的刚性、安全性、柔性、动平衡特性和操作方便性， 而且对刀具系统与机床接口的连接刚度、精度以及刀柄对刀具的夹持力与夹持精 度等都提出了很高的要求。 所谓刀具系统即由装夹刀柄与切削刀具所组成的完整刀具体系。装夹刀柄与 机床接口相配，切削刀具直接加工被加工零件，两者极为重要。高速加工刀具系 统必须满足以下要求【4 6 】： ( 1 ) 刀具结构的高度安全性。高速加工刀具系统的结构必须具有高度安全 性，以防止刀具高速回转时刀具体飞出。 ( 2 ) 刀具系统优异的动平衡性。高速加工刀具系统的动平衡性能相当重要。 由理论力学的知识可以知道，离心力f = m 刑2 ，如果刀具系统的动平衡性能比较 差时，高速旋转的刀具产生巨大的离心力，引起刀杆弯曲变形并产生振动，导致 沈阳理工大学硕士学位论文 被加工零件的质量降低，严重时刀具损坏。 ( 3 ) 系统刚性高。对切削性能和加工精度的影响主要因素是刀具系统的静、 动刚性。刀具系统的刚性不足可导致刀具系统倾斜、振动，从而降低了加工表面 精度和加工的效率。同时，系统振动加剧了刀具磨损和破坏，从而使刀具和机床 的寿命降低。 ( 4 ) 系统精度高。系统精度主要是指系统定位、夹持精度与刀具重复使用定 位精度及保持优良的精度。具备以上精度要求的刀具系统，才能保证高速加工整 个系统的静态和动态稳定性，从而满足高速、高精；钿工的工件要求。 ( 5 ) 互换性高。模块式刀具系统需要的灵滑陛更高，通过组装或调整，迅速 加工不同的零件。此外，机床一刀具的接口使用同一的刀柄结构系统，减少了许 多库存。 ( 6 ) 高效性。刀具系统中要求刀具具备高质量、高寿命的性能，适合高速高 效加工工件的要求。 ( 7 ) 高适应性。刀具系统应具有加工多种硬度材质的能力，以满足高速加工 各种工件的要求。 2 3 传统b t 刀具系统 传统的7 2 4 锥度b t 刀具系统如图2 1 所示。生产中最见的标准a n s i b 5 5 0 、 i s 0 7 3 8 8 、d i n 6 9 8 1 7 、d i n 6 9 8 7 2 等。7 2 4 锥度的联接是一种可靠、牢固且相对而 言比较经济的联接系统，7 2 4 锥度的刀具系统仍然在市场上比较常见。 图2 1b t 刀具系统二r ：作示意图 7 2 4 锥度联接结构简单、成本低、不白锁 4 7 。5 3 】。随着高速加工的不断发展， 主轴旋转的速度已经达到1 0 0 0 0 r m i n ，由于高速旋转带来很大的离心力，使的b t 刀柄性能产生了很多问题：1 ) 主轴与刀柄之问采用锥面联接，主轴端面与刀柄法 第2 章高速铣削刀具系统和刀具 兰端面有较大间隙，联接刚度比较低，高速加工时，产生离心力，使主轴与刀柄 产生径向扩张变形，但主轴的径向变形大于刀柄的径向变形，从而减小了主轴和 刀柄之问的接触区域，降低了刀具系统的定位精度与径向刚度。2 ) b t 刀柄的锥 度联接的刚度对轴向拉力和锥角变化影响很大。当轴向拉力扩大4 8 倍时，联接 刚度提高了2 0 5 0 。但是，在频繁的换刀过程中采用过大拉力会加快主轴内孔 磨损，主轴内孔端口扩张，影响动平衡和轴承寿命。 由于技术的迅速发展，高性能的机床出现对刀具系统的联接性能和精度要求 更高。传统b t 刀具系统联接不能满足高速加工的要求。 根据上面的情况，新型的工具系统被推出，而设计的新型的工具系统可分为 两类： ( 1 ) 保留7 2 4 锥度、长柄结构。保证刀具正常的切削加工下，在原有结构上 进行端面定位和支撑的改进，目的是消除轴向移动，提高刀具系统的径向刚度与 定位精度。 ( 2 ) 改变b t 刀具系统的锥度。一般设计的是1 1 0 锥度的空心薄壁短锥结构， 刀体的质量减少同时锥面( 径向) 和法兰端面( 轴向) 定位。空心结构在高速旋 转下，空心薄壁的径向扩张量与主轴内锥孔基本一致，薄壁结构的扩张量补偿主 轴端面与刀柄法兰端面的间隙。 2 4 高速加工用典型刀具系统 2 4 1h ：s k 刀具系统 h sk - 刀柄是由德国阿亨工业大学机床研究所研究的一种新型的高速短锥两面 接触刀柄，这是一种1 1 0 锥度的中空结构式两面接触刀柄【4 7 。5 3 】，如图2 2 所示。 h s k 刀柄的结构特点是：空心、薄壁、短锥锥度为1 1 0 ；端面与锥面同时定位、夹 紧，刀柄在主轴中的定位为过定位；采用由内向外的外涨式夹紧机构。 h s k 刀具系统最显著的特点就是锥面( 径向) 和法兰端面( 轴向) 同时接触。 拉紧时，锥面有过盈，使锥面受压产生弹性变形，空心锥柄的收缩变形达到端面 的接触，在高速旋转时主轴锥孔扩张，锥柄恢复弹性变形，继续保持锥面和端面 的接触，应用此系列的刀柄刀具的金属切削率可明显提高。 沈阳理工大学硕士学位论文 图2 - 2h s k 刀柄系统结构 h s k 刀柄的一个重要特征是中空结构。与实心柄相比，空心柄很容易产生弹 性的变形，所需要的夹紧力很小，而主轴在高速旋转时，薄壁空心的径向扩张量 与主轴的内锥孔基本一致，所以在较大转速范围内也可以保持可靠的锥面接触。 h s k 刀柄本身的空心柄部提供了夹紧机构的安装空间，实现从内向外方式的夹紧。 ：这种夹紧方式可以把离心力转化为夹紧力，使刀柄：在高转速下工作时的夹紧更为 可靠。此外，h s k 刀柄系统的空心柄部还有可能供应内部的切削液。 h s k 刀具系统以其定位精度很高，静、动态刚度很高，尺寸小、重量轻、结 构简单紧凑，适合高速铣削等优点，已成为高速加工中最有发展潜力的高级系统。 国际标准化组织最终确定以h s k 为新型工具系统的国际标准，并于2 0 0 1 年颁布 了该项i s o 标准( i s 0 1 2 1 6 4 ) 【5 4 1 。 互4 2k m 刀具系统 k m 刀柄是美国肯纳( k e l l l l 锄e t a l ) 公司与德国怀迪尔( w i d i a ，本站注：行业 内常译为维迪亚) 公司于1 9 8 7 年联合开发出来的【4 7 侧，如图2 3 所示。先用于车床， 到1 9 9 3 年才用于旋转刀具。此刀具系统锥体尾部设有键槽。与h s k 刀柄并存的1 l o 空心短锥配合和双面定位方式。k m 刀柄采用了1 1 0 短锥配合，配合长度短，仅相 近为标准7 2 4 锥柄规格长度的1 3 ，部分解决了端面与锥面接触定位产生的干涉问 颗。 第2 章高速铣削刀具系统和刀具 图2 3i 洲刀具系统结构 k m ：丁柄是采用钢球斜面锁紧，夹紧时，钢球沿拉杆凹槽的斜面被推出，卡在 刀柄上的锁紧孔斜面上，将刀柄向主轴孔拉紧，刀柄产生弹性变形使刀柄端面与 主轴端面贴紧。 k m 刀柄的特征中空结构，在轴向拉力下，短锥径向收缩，端面和锥面同时接 触定位和夹紧。与其他产品比较具有的特点：3 个面接触；灵活和通用地夹持设计； 高刚性和高精度；宽的尺寸范围和多种形式；针对车镗钻铣设计；可经受高切 削负载的能力。i 刚刀具系统明显的缺点是与传统的7 2 4 锥度联接不兼容，需重 新设计主轴端部，同时短锥自锁会导致换刀困难。由于空心结构，不能用于刀具 的夹紧，加紧由刀柄的法兰实现，由此增加了刀具的悬伸量，削弱了联接刚度。 端面一锥面接触系统如图2 4 所示。 硬度和刚度主要依靠： 1 ) 标注直径的过盈量； 2 ) 后拉力。 标准直径主闻的手游 图2 4 端面一锥面接触系统 沈阳理工大学硕士学位论：丈 2 4 3n c 5 刀具系统 n c 5 刀具系统是日本株式会社日研究开发的，也同样采用1 1 0 锥度双面夹紧 定位方式，如图2 5 所示。锥柄采用实心结构，使它的抗高频颤振能力优越于空心 短锥结构 5 2 。5 3 】。它的定位夹紧原理与h s k 、k m 相同，所不同的是把1 1 0 锥柄分 成了锥套和锥柄两部分，锥套端面的碟型弹簧起缓冲和抑振作用。锥套微量的位 移，减少锥部基准圆的微量位置轴向误差，以便刀柄的制造。由于弹簧的预压作 用减少切削时的微量振动，从而提高了刀具的耐用度。高速旋转时，离心力的作 用使锥孔扩张，弹簧的作用让轴套产生轴向位移，并补偿径向问隙，而保证径向 精度。由于刀柄本体没有产生轴向移动，因此保证：7 丁具系统的轴向精度。 图2 5n c 5 刀具系统 2 4 4b i g p l u s 刀具系统 b i g p l u s 刀具系统是日本大昭和精机公司研究开发的改进型7 2 4 锥柄刀具 系统，如图2 6 所示。 按钉主辕镶孰接触 图2 6b i g p l u s 刀具系统 该系统与原有的7 2 4 锥柄结构完全兼容，它将主轴端面与刀具法兰间的间隙 量平均分配给主轴和刀柄，从而加长主轴、加厚刀柄法兰尺寸，实现主轴端面与 1 8 第2 章高速铣削刀具系统和刀具 刀具法兰的同时接触。装入刀柄时伴随主轴孔的扩张使刀具轴向移动达到端面接 触。 b i g p l u s 刀具系统工作原理是：将刀柄装入主轴锥孔锁紧，端面的间隙小。 锁紧后利用主轴内孔的弹性膨胀补偿端面间隙【4 9 巧2 1 ，使主轴端面与刀柄端面贴紧， 从而增大了刚度。这种刀柄也同样采用了过定位，因而必须严格控制其本身的形 状精度和位置精度，它比h s k 刀柄制造工艺难度还要高。 与b t 锥柄相比，b i g p l u s 锥柄对弯矩的承载能力因有一个加大的支撑直径 而提高，从而增加了装夹稳定性。b i g p l u s 工具系统的夹持刚性高，因此在高速 加工中可减少刀柄的跳动，提高重复换刀精度。 因此，高速切削加工用刀柄的发展趋势是采用双面过定位原理，提高刀柄系统 的结合刚度。同时，解决好刀柄过定位带来的相关问题，并不断改善刀柄材料的性 能。 上述典型刀具系统的结构和性能对比表2 1 所示。 表2 1 不同刀柄的结构和性能 b t 刀柄h s k 刀柄蛆刀柄 n c 5 刀柄b i g p l u s 刀柄 夹紧面形式单面夹紧 2 面夹紧 3 面夹紧2 面夹紧 2 面夹紧 刀柄锥度7 2 4 1 1 0l 1 0 1 1 07 2 4 锥柄长度长锥 短锥短锥 短锥长锥 + 。，。 拉钉拉紧，锥 短滑斜楔式球面斜楔 拉钉拉紧， 拉钉拉紧，锥柄 夹紧机构 一 柄直接传力 悬挂夹爪式式 锥套传力直接传力 ， 弹性夹爪、拉锥套、拉钉、 传力元件拉钉、拉杆 钢球、拉杆 一 拉钉、拉杆 冷却形式可外冷 可内冷 可内冷可内冷 可内冷 可安装丁 互换性( 与 可以与b t 刀柄 b i g p l u s 主 不可互换 不可互换无互换 7 2 4 刀柄) 百换 轴 锥体形式实心锥体 孔心薄晕孔心薄壁 实心锥体 实心锥体( 带内 ( 带冷却孔)部冷却孔) 一 沈阳理工大学硕士学位论文 二= = = = = = = = = = = = = 二_ - _ 二_ ：= = = 二一 一 一一 ：= = = = = = = = ：= = = = = = 舌智占阻蚌 一般( 士 ， 较高( 双面定 重复定位精 高( 8 5 ；：7 柄夹持力8 1 7 k n ；只有符合这样的条件才能保证刀柄与主轴，刀柄 沈阳理工大学硕士学位论文 与铣刀有良好的结合刚性和接触刚性，才能完成正常的高速切削加工过程。 图4 2b t 3 0 刀柄结构图 4 2 2 2 弹性夹头刀具的有限元建模 ( 1 ) 有限元模型的建立 弹性夹头与刀具所选材料的机械性能参数见表4 1 。弹性夹头一刀具配合的接 触特性分析采用有限元软件a n s y s10 o 作为参数化建模与分析工具。实体单元类 型为s o l i d 4 5 ，因刀具的硬度和强度大于夹头，用刀具配合面作为接触目标面、夹 头配合面作为接触面来创建接触对。接触单元类型：选用三维8 节点面一面接触单 元，其中用姆1 7 0 单元来模拟刚性目标面、c o n l ：a 1 7 4 单元来模拟柔性接触面。 因刀具刃部结构对夹头与刀具配合的接触特性的影响较小，在建模时而被忽略。 由于结构的对称，四分之一的弹性夹头与铣刀的有限元模型如图4 3 所示。 表4 1 夹头刀具基本属性 图4 3 弹性夹头与铣刀的有限元模型 ( 2 ) 边界条件约束 1 ) 为接近实际情况，将弹性夹头与刀具体接触面定义为收敛性较好的面一面 第4 章高速刀具系统的极限夹紧状态研究 接触。 根据：丈献【6 0 】摩擦因数取0 2 ，并假定接触面之间处是小滑动状态，满足库仑定 理中有关小滑动状态的切向摩擦条件。