张伟巍

(山西省机械电子工业行业管理办公室，山西 太原 030001)

目前，高速加工技术的快速发展为高速机床的研发以及实际应用提供了重要的保障，同时，高速的加工技术对于机床的性能也提出了相应的要求。高速机床主要由高速数控系统、高速工具系统、高速进给系统以及高速加工检测系统等多个部分构成，高速机床在性能方面远远优于传统机床[1]。高速机床的工具系统的作用是连接机床的主轴与刀具，主要包含主轴、刀具、刀柄以及夹紧机构等几个组成部分，其核心部件是连接刀柄。从机床工业高速发展以来，传统的BT 工具系统在机械加工行业（尤其是机床加工行业）发挥了重要的作用。但是，在高速加工技术快速发展的同时，对于系统的加工精度以及速度性能要求的提高，由于本身的缺陷，BT 工具系统已经不能够适应目前的加工要求。目前，包括我国在内的多个国家对于高速加工的新型工具系统进行了广泛的研究，并且在理论以及实际应用方面都取得了巨大的成功。同时，在高速加工的条件下，机床与刀具的连接系统又存在着很多亟待解决的现实问题：首先刀具系统微小的不平衡性会导致巨大的离心力，造成机床系统整体工作的不稳定，对于产品的品质以及机床刀具的寿命都具有不利的影响；其次，传统机床的连接方式已经不能够满足高速机床连接系统的精度以及刚度要求。因此，文中主要对高速工具的系统特性进行深入的研究分析。

1 高速机床工具系统概述

机床工具系统的基本功能主要是：能够实时保证机床中的刀具进行准确定位，并能够完成工作所需动力以及运动位移的任务。从工具系统的基本功能分析，工具系统应该能够具备以下的基本功能：首先，刀具系统要能够具备足够的运动传输能力，在进行加工的时候，刀具的最终受力都集中在刀具系统中，因此，要能够保证刀具系统具备足够的夹紧力；其次，工具系统应该具备高速的运动能力，因为器件不平衡在高速运动时候产生的巨大离心力会影响系统的定位准确度；最后，良好的刚度、阻尼特性以及介质传递能力对于系统的正常工作也具有重要的意义，因为在高速运转中，工具系统发生变形必然导致刀具的位置发生相对移动，从而导致了加工精度的下降，良好的阻尼特性对于工具系统的动刚性具有重要的影响，传递系统要能准确及时传输在加工过程中机械、电气等控制信号。此外，系统的环境适应性以及可维护性等也是工具系统重要的性能要求[2]。

2 机床高速工具系统的结构选择及优化

高速工具系统的优越性能是以其先进的结构作为实现的基础的，优化合理的结构是保证高速工具系统稳定工作的重要前提。在工具系统连接中，要求刀柄能在主轴中进行准确的定位。因为定位的基本方案主要依赖于工具的轴向截面，而工具轴向截面形状的确定应该综合考虑轴向定位的精确度、磨损补偿能力、制造的可行性等多个相关要素。高速机床的工具系统主要包含纵截面以及横截面的形状这两个基本组成要素。

2.1 工具系统横截面形状的选择

工具系统的扭转传递能力主要依赖于刀柄横截面的形状，同时对于具有端面的工具系统其能力与端面的实际结构也具有一定的关系。由以上的分析以及实际工程实践总结，目前可以采用的刀柄横截面的形状主要有以下几种，如图1 所示。

图1 常见刀柄横截面形状

图1 中的第一种为方形截面的刀柄，其突出优点是不需要进行键槽的设置就可以完成扭矩的直接传递，具有较好的刚度且不易发生变形。但是方形的截面具有对主轴孔以及刀柄的精度要求过高，工艺性较差的问题，同时在扭矩传递的过程中，不同接触面所收到的应用大小不均匀，在实际生产过程中会造成局部设备的损坏；第二种为圆形截面的刀柄具，其具有工艺性能优越，并且具备较高的抗纽刚度的优点；第三中为棱形截面的刀柄，三棱形的截面与方形截面一样，具有无需设置扭矩传递键槽的优点，在传递过程中所收到的应力也较为均衡，但是同时存在刀具与主轴配合精度要求过高、公益性较差以及刚度不高的缺点；第四种为多齿花键截面的刀柄，多齿花键与三棱形相比较，刚度以及抗扭性能都有较大的提升，但是同样存在着工艺性方面的问题。以上分析的四种横向截面的刀柄，在实际应用中一般采用空心结构，具有质量较轻，自动补偿能力较强，便于安装以及工艺性能较好的优点，从扭矩的传递和工艺性以及平衡性等多个方面进行综合考虑，圆形的刀柄截面是较为理想的截面。

2.2 工具系统纵截面形状的选择

高速机床的工具系统主要完成定位以及夹紧两个主要的功能，其中定位的目的是为了刀具在主轴中获得准确的位置。图2 中显示了柱体表面有端面以及无端面的集中截面选择方案。

图2 工具系统纵向截面柱体选择方案

其中（a）图与（b）图属于无端面定位，而（c）图与（d）图属于有端面的定位方案。有端面的方案由于采用了端面的支撑使得刀柄的纵向刚度较高。（a）图与（c）图的结构相对比较简单，在生产制造方面较为容易，但是同时存在着柱面配合长度较大，装卸困难的缺点；（b）图与（d）图采用的方案中主轴孔同时与两个短柱面进行配合，装卸的行程因此比较短，装卸较为方便。但是上面的四种方案对于5 种自由度都具有了一定的限制，轴向的定位精度以及刚度较高，但是依赖于刀柄的柱面与主轴之间的配合程度，不具备自动补偿的能力，上述方案仍然属于不完成定位方案。

锥面定位的情况下可以实现纵向的自动补偿功能，同时具有径向定位精度较高而横向定位精度偏低的特点。其中（a）图与（b）图采用了无端面的设计方案，其结构较为简单，生产制造难度较小，而（c）图与（d）图采用了端面设计，生产制造的难度较高，装卸也不方便。在进行纵向截面方案选择的时候，要能够保证刀具与主轴接触的相互配合，要能够满足足够的盈余量，间隙适当，制造精度要求也比较高。锥面截面选择方案如图3所示。

图3 工具系统纵向截面椎体选择方案

综上说述，在普通加床加工中由于主轴的转速较低，因此可以选择图3 中的（a）方案设计；而在高速机床工具系统中则选择图3 中的（b）方案设计较为合理。

2.3 高速工具截面优化方案选择

在实际的工程产品研发中，主轴产品的结构类型较多，互换性能较差，给产品的使用以及维护方面都带来了一定困难[3]。因此，通过以上的分析可以得知，在工具系统的纵向截面可以使用椎面形状进行设计，保证其良好的工艺性以及定位准确、自动补偿的功能特点；在横向截面的方案选择中采用圆形设置，在高速工具系统中圆锥面的应用最为合理，最能够反映工程实际的需求。

3 机床高速工具系统夹紧机构受力分析

高速工具系统的夹紧机构，采用了内涨式的基本原理，最典型的应用方案有球面斜截式、悬挂式夹爪斜楔夹紧以及短滑块斜楔夹紧结构等[4]。夹紧机构的受力情况对于系统的工作特性有较为重要的影响，以下以及短滑块斜楔夹紧结构为例，分析夹紧结构的受力情况。

图4 短滑块斜楔夹紧结构受力分析

在X 以及Y 方向建立受力平衡方程有：

因此，可以通过方程组求解出所收到的夹紧力F3的大小，并从中分析出夹紧力的相关因素，为改善系统特性提供理论参考。在夹紧力分析中，夹紧力的系数也是极为重要的指标，在机床系统中，放大系数越大则机床的工具系统机构效率越高[5]。从以上的分析中可以得知，夹紧机构的放大系数与接触面的摩擦系数以及斜面角具有密切的联系，一般而言，摩擦系数越小则放大系数越大，在工程应用中由于工具系统的物理特性基本确定，因此，主要考虑由斜面的角度来进行放大系数的调整优化。由放大系数与斜面角的函数关系可以发现，在斜面角在0~45°的范围内，夹紧力放大系数随着斜面角的减小不断增大，同时，通过公式可以发现纵向的放大分系数的增加比横向要更为明显。在进行理论分析后，对于工具系统夹紧力的设计就有了基本的理论指导，可以为工具系统工程设计提供重要的参考。

4 结束语

针对高速系统主轴转速较高，系统对于定位精度、刚度以及平衡度要求的特点，以及目前高速系统工具在工程时间中存在在问题，作为主轴以及刀具连接部分的刀具系统要能够满足多个方面的要求，主要是要采用合适的横向以及纵向端面设计，采取空心刀柄结构，采取合理的方案改善系统的夹紧性能等。文中的分析可以为实际高速机床刀具系统的设计提供重要的理论依据以及实践基础。

[1]张博霖.高速切削技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]王树林. HSK 工具系统夹紧系统分析研究[J]. 现代制造工程，2002，（12）：66-68.

[3]李崇华编.电气控制技术[M].重庆:重庆大学出版社，2004.

[4]白铭生，陈组苏.流体机械[M].北京:煤炭工业出版社，1983.