一種機械式自膨脹高速刀柄的製作方法

2023-04-25 18:53:31

技術領域本發明涉及一種機械加工刀具，特別是用於高速切削的刀具。

背景技術：
由於高速加工具有高效率、高精度和高表面質量等優點，在機械加工中獲得了廣泛應用。高速工具系統是由主軸、刀柄、夾頭、刀具和夾緊機構所組成的聯接系統，其中刀柄是聯接主軸與刀具的關鍵部件。高速加工對高速刀柄/主軸接口的定位精度、聯接剛度等性能提出了嚴格的要求。高速狀態下刀柄/主軸接口存在的最大問題是刀柄與主軸的高速離心膨脹不匹配，即主軸離心膨脹量大於刀柄的離心膨脹量，影響刀柄/主軸接口的極限轉速(刀柄與主軸保持良好定位精度的最高轉速)、定位精度和聯接剛度。針對高速主軸/刀柄接口的離心膨脹問題，國內外的解決措施包括：(1)增大主軸/刀柄的配合過盈量，補償二者的離心膨脹差。(2)增大刀柄的離心膨脹量。採用空心刀柄並使用脹爪式拉刀機構助其膨脹，如hsk刀柄。(3)減小主軸膨脹量。

為解決高速離心膨脹問題，德國、美國、日本等國家先後開發出幾種種高速刀柄。一類是採用錐面1:10錐度的替換型高速刀柄，如德國的hsk、美國的km和瑞典的capto等高速刀柄；另一類是錐度7:24的傳統bt刀柄的改進型，如日本big-plus、nc5、3lock、wsu、aho等。其中hsk是最具代表性的高速刀柄。hsk刀柄的結構特點是：空心、薄壁、短錐，錐度為1:10；端面與錐面同時定位、夾緊；使用由內向外的外漲式夾緊機構。雖然hsk刀柄很大程度上提高了主軸的極限轉速，但依然存在著一些問題：(1)極限轉速仍偏低，不能滿足更高轉速要求；(2)局部不對稱結構導致動態性能差；(3)外脹式夾緊機構使錐面接觸不均勻，導致錐柄局部磨損嚴重。

技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種結構簡單，易於實現主軸和刀柄離心膨脹的動態補償且極限轉速可顯著提高的機械式自膨脹高速刀柄。

本發明的技術方案具體如下：

本發明主要包括：錐體、芯軸和碟形彈簧。刀柄的錐體為空心短錐，其錐度為1:10，在該錐體上設有軸向條形通孔，最好為均布的6-12個軸向條形通孔，用於提高徑向柔度，具體數目根據刀柄規格決定。錐體首端(即大開口端)外錐面設與其連為一體的法蘭，該法蘭上設有螺孔，其與夾頭通過緊固螺釘相連。錐體的尾端(即小開口端)內錐面設與其連為一體的圓環，其中心通孔直徑與芯軸的短軸外徑相對應，使短軸可插在中心通孔內。該置於錐體內的芯軸其短軸上設有兩個與短軸垂直相連的圓臺，並且兩圓臺的外周面均為與錐體設軸向條形通孔部分的內錐面對應的錐面。所述芯軸短軸的長度≤刀柄錐體的長度。所述芯軸短軸朝向錐體尾端的一端設軸向內螺孔，其為標準拉釘孔，用於連接拉釘。在錐體尾端與芯軸圓臺之間設有套在短軸上的碟形彈簧，其作用是減震和卸下刀柄時使芯軸復位。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

1.能夠對刀柄與主軸的離心膨脹進行動態補償，提高刀柄/主軸接口的極限轉速。與現有1:10錐度的高速刀柄兼容，結構簡單，易於實現。

2.本發明為空心結構，減小了刀柄質量，可實現快速換刀。

3.碟形彈簧對主軸-刀柄系統具有減振作用，提高了刀柄的動態性能。

附圖說明

圖1為本發明使用狀態主視剖面示意圖。

圖2為本發明軸側示意圖。

圖3為本發明刀柄錐體的軸側示意圖。

圖4為本發明芯軸的軸側示意圖。

其中：1、夾頭；2、螺釘；3、錐體；4、碟形彈簧；5、芯軸；6、拉釘；7、螺孔；8、軸向條形通孔；9、內錐面；10外錐面；11、圓臺a、12、圓臺b；13、拉釘孔。

具體實施方式

在圖1和圖2所示的機械式自膨脹高速刀柄的示意圖中，刀柄的錐體3為空心短錐，其錐度為1:10，在該錐體上設有均布的8個軸向條形通孔8，如圖3所示。錐體首端(即大開口端)外錐面10設與其連為一體的法蘭，該法蘭上設有螺孔7，其與夾頭1通過緊固螺釘2相連。錐體的尾端(即小開口端)內錐面9設與其連為一體的圓環，其中心通孔直徑與芯軸5的短軸外徑相對應。該置於錐體內的芯軸其短軸上設有兩個與短軸垂直相連的圓臺a11和圓臺b12，並且兩圓臺的外周面均為與錐體設軸向條形通孔部分的內錐面對應的錐面。所述芯軸短軸的長度≤刀柄錐體的長度。所述芯軸短軸朝向錐體尾端的一端設軸向內螺孔，其為標準拉釘孔13，用於連接拉釘6，如圖4所示。在錐體尾端與芯軸圓臺之間設有套在短軸上的碟形彈簧4。

本發明的工作過程和作用原理大致如下：

裝入刀柄時，工具機拉刀機構(安裝在主軸孔中)通過拉釘6拉緊刀柄，實現外錐面10和端面雙面接觸。刀柄拉緊後，拉刀力f(作用於拉釘6上的軸向力)等於碟形彈簧4的彈力與芯軸上兩個圓臺11、12的錐面所受的軸向力(刀柄錐體內錐面9對芯軸5的軸向作用力)之和，此合力轉化為刀柄的錐面和端面壓力使刀柄與主軸可靠聯接。主軸高速旋轉時，刀柄錐體3離心膨脹量小於主軸錐孔離心膨脹量，配合面接觸應力減小甚至出現間隙，此時芯軸上兩個圓臺11、12的錐面的接觸壓力(刀柄錐體內錐面9對芯軸5的作用力)減小，芯軸5受力平衡被破壞。拉刀力f通過拉釘6使芯軸5產生微量軸向位移，增大芯軸上兩個圓臺11、12的錐面與刀柄錐體3內錐面9間的壓力，使刀柄外錐面10發生徑向變形，補償主軸與刀柄錐體3的離心膨脹差，保持合理的錐面配合接觸應力，提高極限轉速。