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      BT與HSK工具系統(tǒng)高速加工性能比較分析

      2012-10-23 12:59:24陳世平李青鋒
      制造技術(shù)與機床 2012年4期
      關(guān)鍵詞:刀柄錐面端面

      陳世平 李青鋒

      (重慶理工大學汽車學院,重慶 400054)

      高速切削加工刀具技術(shù)是高速切削加工的一個關(guān)鍵技術(shù),它包括高速切削刀具材料和工具系統(tǒng)兩個方面。在工具系統(tǒng)方面,傳統(tǒng)的BT工具系統(tǒng)采用7∶24錐度實心長刀柄結(jié)構(gòu)已不能滿足高速切削加工的要求,必須研發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)的工具系統(tǒng),如現(xiàn)采用較多的HSK工具系統(tǒng)、KM工具系統(tǒng)等。BT工具系統(tǒng)與HSK工具系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)不同,其高速切削加工性能相差甚遠,BT工具系統(tǒng)幾乎不能用于高速切削加工。

      1 BT與HSK工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點

      BT刀柄為7∶24錐度實心長刀柄結(jié)構(gòu),如圖1所示。該刀柄在機床主軸錐孔安裝時僅靠錐面實現(xiàn)徑向定位和軸向定位,并用拉桿拉緊。在普通切削加工的轉(zhuǎn)速下,刀柄與主軸間無變化。但在主軸高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時,在巨大離心力的作用下,由于刀柄與主軸孔的膨脹量不一致,導致主軸與刀柄錐面接觸面積減少。同時,在夾緊機構(gòu)的拉桿拉力的作用下,刀柄的軸向位置會發(fā)生變化,刀柄將內(nèi)陷主軸孔內(nèi),刀柄、刀具以及夾頭的質(zhì)心也發(fā)生偏移,從而使刀柄的錐度連接剛度和定位精度下降,影響了工具系統(tǒng)整體的不平衡和刀具穩(wěn)定切削條件。另外,當機床停機后,刀柄內(nèi)陷于主軸孔內(nèi)將很難拆卸。

      HSK刀柄采用了錐度1∶10的空心短錐柄結(jié)構(gòu),可進行錐面(徑向)和法蘭端面(軸向)雙面定位,實現(xiàn)與主軸的剛性連接,如圖2所示。當?shù)侗跈C床主軸錐孔上安裝時,空心短錐柄與主軸錐孔能完全接觸,起到定心作用。此時,HSK刀柄法蘭盤與主軸端面之間還存在約0.1 mm的間隙。在拉緊機構(gòu)作用下,拉桿的向左移動使其前端的錐面將彈性夾爪徑向脹開,同時夾爪的外錐面作用在空心短錐柄內(nèi)孔的30°錐面上,空心短錐柄產(chǎn)生彈性變形,并使其端面與主軸端面靠緊,實現(xiàn)了刀柄與主軸錐面和主軸端面同時定位和夾緊的功能。

      由此可見,HSK工具系統(tǒng)與BT工具系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)特點不同,則高速加工性能也不同,BT工具系統(tǒng)不適宜用于高速加工。這可以從下面的分析中得到進一步證實。

      2 BT與HSK工具系統(tǒng)的數(shù)字模擬分析

      數(shù)字模擬分析法是保留工程問題的復雜性,利用數(shù)字計算方法求得問題的近似數(shù)值解的一種工程計算方法,最常用的就是有限元數(shù)字分析法。有限元法是把一個物體看成是有限個小單元的集合體,對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解,然后推導求解這個物體總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件),從而得到問題的解。應用有限元法求解時,應把連續(xù)的求解區(qū)域分割成有限個單元,并在每一個單元上指定有限個節(jié)點,然后對求解區(qū)域進行模擬或逼真分析。

      對于BT工具系統(tǒng),選取BT40型工具系統(tǒng)作為分析對象,分別對主軸和刀柄進行有限元分析,建立的有限元分析模型如圖3所示。為了便于研究,在建立模型時不考慮鍵槽、芯片等的影響。定義材料屬性為:密度m=7.8×103kg/m3,彈性模量E=2.03×1011N/m2,泊松比ν=0.30,摩擦系數(shù)μ=0.15。通過解算有限元,可以得到在離心力作用下主軸和刀柄的徑向變形情況,如圖4所示。圖中的縱坐標變形量即為主軸和刀柄的徑向位移量,X為節(jié)點到主軸端面的距離。

      對于HSK工具系統(tǒng),選取HSK63-A型工具系統(tǒng)作為分析對象,分別對主軸和刀柄進行有限元分析,建立的有限元分析模型如圖5。定義材料屬性為:密度m=7.8×103kg/m3,彈性模量E=2.03 ×1011N/m2,泊松比ν=0.30,摩擦系數(shù)μ=0.15。通過解算有限元,可以得到離心力作用下主軸和刀柄的徑向變形情況。圖6為高速旋轉(zhuǎn)時HSK刀柄和主軸在不同離心力作用下的擴張情況。

      比較圖4c和圖6c可以看出,高速狀態(tài)下,主軸與刀柄間的間隙HSK工具系統(tǒng)比BT工具系統(tǒng)小,且其接觸面之間的間隙也相對均勻。由此可知:HSK工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在高轉(zhuǎn)速下的動態(tài)特性比BT工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的優(yōu)越,也證明了不同的工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式對主軸和刀柄的連接系統(tǒng)動態(tài)特性有很大的影響,雙面定位、空心薄壁結(jié)構(gòu)優(yōu)于單面定位、實心錐柄結(jié)構(gòu)。

      3 HSK與BT工具系統(tǒng)的高速加工性能

      為了比較HSK工具系統(tǒng)與BT工具系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性,在相應的試驗儀器上進行了有關(guān)實驗,其實驗結(jié)果如圖7~10所示。

      圖7表明了HSK63-A刀柄和BT40刀隨軸向拉緊力增大,其軸向位移變形情況??梢姡琀SK工具系統(tǒng)軸向位移比BT工具系統(tǒng)的小得多,說明其相應的軸向剛度、定位精度高得多。

      圖8表明了HSK63-A刀柄(18 kN軸向拉緊力)和BT40刀柄(12 kN軸向夾緊力)承受彎矩載荷時,其徑向剛度(以離軸端1 m處的徑向位移衡量)的變化情況。實驗結(jié)果表明,HSK工具系統(tǒng)變形比BT40工具系統(tǒng)的小,其相應的徑向剛度、承載能力高。

      圖9表明了HSK63-A刀柄隨著轉(zhuǎn)速提高、離心力增大,其軸向拉緊力也增大,而BT刀柄的軸向拉緊力幾乎不變。

      圖10為HSK63-A刀柄和BT40刀柄重復安裝精度實驗對比圖。實驗結(jié)果表明,HSK63-A刀柄與BT40刀柄相比較,徑向重復定位精度提高約2/3倍,而軸向重復定位精度提高約400倍,這充分說明了雙面定位系統(tǒng)的優(yōu)點。

      4 結(jié)語

      通過以上理論分析和實驗分析,可以充分肯定HSK工具系統(tǒng)與傳統(tǒng)的BT工具系統(tǒng)相比,具有良好的高速加工性能,在高速切削加工技術(shù)中占有重要的地位,具有廣泛的應用推廣價值。但是,HSK工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也有一定弊端,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

      (1)由于采用過定位安裝,必須嚴格控制錐面基準線與法蘭端面的軸向位置精度,使其制造工藝難度較大。一般而言,HSK工具系統(tǒng)的價格是相近規(guī)格BT工具系統(tǒng)的1.5倍。

      (2)HSK工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為空心狀態(tài),裝夾刀具的結(jié)構(gòu)必須設(shè)置在外部,增加了整個刀具的懸伸長度,影響了刀具的剛度。

      [1]陳世平,侯智,周康源,等.HSK刀柄高速切削性能研究[J].機械設(shè)計與制造,2005(8):128 -130.

      [2]張伯霖.高速切削技術(shù)及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002:181-198.

      [3]王貴成,王樹林,董廣強,等.高速加工工具系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005:106-112.

      [4]Dr.Eugene Kocherovsky.HSK Handbook[Z].1999.

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