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刀柄

刀柄是一种工具,是机械主轴与刀具和其它附件工具连接件,目前主要标准有BT、SK、CAPTO、BBT、HSK等几种规格的主轴型号。

目前主要标准有BT、SK、CAPTO、BBT、HSK等几种规格的主轴型号。

BT,BBT,均为日本标准,现也是普遍使用的一种标准。

SK(DIN6987)德国标准

传统刀柄,有ER型,强力型,侧固型,平面铣刀型,钻夹头,莫氏锥柄

现代有液压刀柄,热胀刀柄,PG(冷压)型。

BT,SK,是一种简单的,流行的主轴刀柄连接标准,主要有BT30,BT40,BT50,SK30。。。等。模具行业,及高速雕刻机,用到比较多,

HSK型性属于,后期的高速所需诞生的。HSK-E型,F型,都可以在三四万转的情况下,正常加工,为高精度的工件,提供了保障。目前,日系标准,BIG的刀柄是比较好的,欧系的REGO-FIX AG比较好。

HSK刀柄

HSK工具系统是一种新型的高速短锥型刀柄,其接口采用锥面和端面同时定位的方式,刀柄为中空,锥体长度较短,锥度为1/10,有利于实现换刀轻型化和高速化。如图1.2所示。由于采用空心锥体和端面定位,补偿了高速加工时主轴孔与刀柄的径向变形差异,并完全消除了轴向定位误差,使高速、高精度加工成为可能。这种刀柄在高速加工中心上应用越来越普遍。

KM刀柄

该刀柄的结构与HSK刀柄相似,也是采用了空心短锥结构,锥度为1/10,并且也是采用锥面和端面同时定位、夹紧工作方式。如图1.3所示,主要区别在于使用的夹紧机构不同,KM的夹紧结构已申请了美国专利,它使用的夹紧力更大,系统的刚度更高。不过由于KM刀柄锥面上开有两个对称的圆弧凹槽(夹紧时应用),所以相比之下显得单薄,有些零件的强度较差,而且它需要非常大的夹紧力才能正常工作。另外,KM刀柄结构的专利保护限制了该系统的迅速推广应用。

NC5刀柄

它也采用了空心短锥结构,锥度为1/10,并且也是采用锥面和端面同时定位、夹紧工作方式。由于扭矩是由NC5刀柄前端圆柱上的键槽传递的,刀柄尾部没有传递扭矩的键槽,所以轴向尺寸比HSK刀柄短。它与前面两种刀柄的最大区别在于刀柄没有采用薄壁结构,刀柄锥面处增加了一个中间锥套。KM刀柄和HSK刀柄是通过薄壁的变形来补偿刀柄和主轴制造误差,保证锥面和端面同时可靠的接触,而NC5刀柄是通过中间锥套的轴向移动达到这个目的。中间锥套的轴向移动动力来自刀柄端面上的碟形弹簧。由于中间锥套的误差补偿能力较强,因此NC5刀柄对主轴和刀柄本身的制造精度的要求可稍低些。另外,NC5刀柄内仅有一个安装拉钉的螺钉孔,孔壁较厚,强度高,可采用增压夹紧机构,满足重切削的要求。这种刀柄的主要缺点是刀柄和主轴锥孔之间增加了一个接触面,刀柄的定位精度和刚度有所下降。

CAPTO刀柄

图1.5为Sandvik公司生产的CAPTO刀柄。这种刀柄的结构不是圆锥形,而是三棱圆锥,其棱为圆弧形,锥度为1/20,并且空心短锥结构,采用锥面与端面同时接触定位。三棱圆锥结构可实现两个方向都无滑动的转矩传递,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。三棱圆锥的表面大,使刀柄表面压力低、不易变形、磨损小,因而精度保持性好。但三棱圆锥孔加工困难,加工成本高,与现有刀柄不兼容,配合会自锁。

HSK刀柄采用短锥面和法兰端面同时定位,刀柄为中空结构,短锥体锥度为1:10, 刀柄与主轴之间通过膨胀式弹性夹头锁紧。HSK刀柄在工作过程中的失效形式主要有两种:一是由于刀柄材料强度不足,在巨大离心负荷作用下发生破坏; 二是由于高速旋转降低动态夹紧力,使夹紧系统不能提供足够的夹紧力以确保切削加工的顺利进行。因此,对HSK刀柄临界使用转速的计算应该从材料强度和夹紧力两方面进行分析。 [1]

半个多世纪以来,加工中心上一直采用7/24锥度的BT刀柄实现刀具与机床主轴的连接。标准的7/24锥面联结有许多优点,如: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的锥孔内支撑刀具,可以减小刀具的悬伸量;只有一个尺寸需加工到很高的精度,所以成本较低而且可靠。然而,随切削高速化的发展,刀具要在比以前高得多的转速下进行切削加工,BT刀柄的连接性能就出现以下主要不足,图2是高速加工时BT工具系统工作示意图:

(1)主轴与刀柄不能实现与主轴端面和内锥面同时定位,导致连接刚度低,尤其是在高转速下,由于离心为的作用,主轴锥孔大端扩张量大于小端扩张量,使得刀柄和主轴的接触面积减少,工具系统的径向刚度,定位精度下降。

(2)在高速旋转下(特别是转速超过8000rpm后),在离心力作用下刀柄向外的扩张量与主轴孔的扩张量差异明显,而且在孔口部位扩张量的差异要大于刀柄尾部,在拉杆的作用下,刀柄向后移动导致轴向位置发生变化,影响了加工精度和刀具稳定切削条件。并且主轴停车后,刀柄和主轴径向弹性回复,容易使刀柄卡死在主轴中,很难拆卸。

(3)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。

(4)刀柄为实心长锥柄结构,因此质量大,在加工中心上应用时,换刀速度较慢,导致非加工时间较长。 [2]

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