波纹锥套自补偿离心膨胀高速刀柄的制作方法

背景技术：
传统的BT工具系统多年来应用广泛。但是在高速条件下，由于离心力的作用，主轴内孔和BT刀柄之间出现径向间隙，使BT工具系统的定位精度和联接刚度明显下降。在夹紧机构拉力的作用下，刀柄将内陷主轴孔内，轴向精度下降，加工尺寸无法控制，无法满足高速加工的要求。

为了适应高速切削加工对工具系统的要求，美国、德国、日本等发达国家先后开发出了各种先进的高速刀柄和工具系统。主要分为两种类型，一种是替代型设计，一种是改进型设计。替代型设计主要有：德国HSK刀柄、美国KM刀柄、瑞典CAPTO刀柄、日本NC5刀柄等，改进型设计主要有：日本的BIG-PLUS刀柄、SHOWA D-F-C刀柄和3LOCK刀柄等。

SHOWA D-F-C工具系统中的刀柄是属于7：24锥度的双面定位型结构，在柄部为圆柱形的刀柄本体上安装带外锥面的锥套，并在锥套大端与刀柄法兰端面之间安装碟形弹簧，以便在高速下起到缓冲抑振的作用。当高速旋转在离心力的作用下主轴锥孔发生扩张时，碟形弹簧会推动锥套轴向移动，补偿间隙，保证锥面良好的接触。但这种刀柄的主要缺点是当高速旋转因离心力致使刀柄上锥套孔扩张时，与柄部圆柱体出现间隙，从而降低了径向刚度和径向位置精度，限制了刀柄的极限转速。

3LOCK工具系统也采用锥面和端面两面定位夹紧的联接方式，刀柄采用7:24锥度，结构与SHOWA D-F-C刀柄类似，都采用在刀柄本体上安装锥套的方式，提高接口的性能，并在锥套大端与刀柄本体的法兰端面之间设有碟形弹簧，不同的是3LOCK本体柄部为圆柱体和锥体的组合体，并且在该复合体上安装的带外锥面的锥套锥面开有缝，通过拧在刀柄本体上的细牙螺母对锥套小端进行定位和夹紧。其补偿原理为：当锥孔发生扩张时，碟形弹簧会推动锥套轴向移动，补偿主轴锥孔与锥套外锥面的间隙，同时由于锥套开有缝隙锥套内径会收缩，因此消除了高速下锥套与柄体之间产生的间隙。3LOCK开缝的设计虽然克服了锥套当高速旋转因离心力扩张时，与其柄部体出现的间隙，从而降低了径向刚度和径向位置精度的缺点。但正是由于锥套有开口缝，动平衡精度无法得到很好的保证，极限转速受到限制。

综合以上，本发明提出利用波纹锥套自动补偿离心膨胀的高速刀柄，旨在提高刀柄的极限转速，同时解决SHOWA D-F-C工具系统高速下锥套孔与刀柄本体柄部之间出现间隙的问题，而且相比于3-LOCK工具系统来说具有更高的动平衡性。

技术实现要素：
本发明专利的目的在于提供一种能够提高刀柄的极限转速、锥套孔与刀柄本体柄部之间不会出现间隙、具有更高的联接刚度、更适合高速加工的波纹锥套自补偿离心膨胀高速刀柄。

本发明包括细牙锁母、波纹锥套、碟形弹簧以及刀柄本体，刀柄本体柄部为实心圆柱结构，刀柄的一端与拉钉螺纹连接，在刀柄的后端设有细牙螺纹和螺纹退刀槽，细牙螺纹和螺纹退刀槽用于细牙锁母的安装与定位，细牙锁母的外圆具有1:10锥度，用于与主轴内孔配合，在刀柄本体的后端套有波纹锥套，波纹锥套外锥面与主轴内圆具有1:10锥度，波纹锥套锥面与主轴锥面重合，在刀柄本体的法兰端面上设有环形沟槽，碟形弹簧设在环形沟槽中，波纹锥套大端端面抵在碟形弹簧上，其小端抵在细牙锁母上。

所述波纹锥套选用弹簧钢65Mn的材料，经淬硬后(HRC45～50)磨削,该锥套内外面的波峰、波谷分别为不同半径的圆弧，波峰圆弧半径为4mm～5mm,波谷圆弧半径为1.5mm～2mm；为了与主轴锥孔和刀柄配合，增加工具系统的联接刚度，内、外圆弧面为平面，外表面小端处去除厚度为0.2～0.5mm,在此基础上将外表面修磨成锥度为1:10的虚拟锥面，与主轴配合。内表面去除厚度与锥套小端处相同，将内表面修磨成虚拟圆柱面，与刀柄配合。因锥套外表面为锥面，在轴向方向上去除量不等，所导致锥套厚度在轴向方向上不等，锥套小端处厚度为3mm～5mm。

在拉刀力的作用下，刀柄向主轴内移动的过程中，波纹锥套受到径向力的作用，波纹锥套产生弹性变形，轴向长度增加，外径减小，内径增大，既便于安装刀柄，也可增大锥面配合过盈量。同时碟形弹簧受到刀柄本体和波纹锥套大端两侧的压力，在此压力作用下发生弹性变形，储存一定的弹性势能。当高速旋转时因离心力的作用致使锥孔扩张时，波纹锥套在碟形弹簧的轴向推力下产生弹性变形，外径增大，内径减小，补偿径向间隙。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、保留了HSK-E63刀柄的外形尺寸，与现有的1/10锥度主轴具有良好的互换性能。

2、不仅解决了SHOWA D-F-C刀柄和3LOCK刀柄的缺点，更兼具有二者的优点，能达到更高的极限转速，更适合于高速加工。

3、弹簧的预压作用还能衰减切削时的微量振动，有利于提高刀柄耐用度、改善加工表面粗糙度。

附图说明

图1为本发明刀柄的示意图。

图2为本发明刀柄与主轴连接的示意图。

图中：1-细牙螺母、2-波纹锥套、3-碟形弹簧、4-刀柄本体、5-主轴、6-拉钉。

具体实施方式

在图1所示的波纹锥套自补偿离心膨胀高速刀柄示意图中，刀柄本体4柄部为实心圆柱结构，刀柄的一端与拉钉螺纹连接，在刀柄的后端设有细牙螺纹和螺纹退刀槽，细牙螺纹和螺纹退刀槽用于细牙锁母1的安装与定位，细牙锁母的外圆具有1:10锥度，用于与主轴内孔配合，在刀柄本体的前端套有波纹锥套2，波纹锥套外锥面与主轴内孔具有1:10锥度，波纹锥套锥面与主轴锥面重合，在刀柄本体的法兰端面上设有环形沟槽，环形沟槽中设有碟形弹簧3，波纹锥套大端端面抵在碟形弹簧上，其小端抵在细牙锁母上。

所述波纹锥套选用弹簧钢65Mn的材料，经淬硬后(HRC45～50)磨削,该锥套内外面的波峰、波谷分别为不同半径的圆弧，波峰圆弧半径为4mm～5mm,波谷圆弧半径为1.5mm～2mm；为了与主轴锥孔和刀柄配合，增加工具系统的联接刚度，内、外圆弧面为平面，外表面小端处去除厚度为0.2～0.5mm，在此基础上将外表面修磨成锥度为1:10的虚拟锥面，与主轴配合。内表面去除厚度与锥套小端处相同，将内表面修磨成虚拟圆柱面，与刀柄配合。因锥套外表面为锥面，在轴向方向上去除量不等，所导致锥套厚度在轴向方向上不等，锥套小端处厚度为3mm～5mm。

具体安装时，如图2所示，首先将刀柄装入主轴5，波纹锥套2锥面与主轴锥面重合，此时刀柄本体法兰端面与主轴端面之间依然留有部分间隙。在拉钉6拉刀力的作用下刀柄本体部分继续向主轴内部移动。此时波纹锥套在主轴锥孔径向力的作用下轴向长度增加，外径减小，内径增大，同时碟形弹簧3受到刀柄本体4和波纹锥套两侧的压力，在此压力作用下发生弹性变形，储存一定的弹性势能。在拉紧力的作用下，最终刀柄柄体的法兰端面和主轴的端面接触，完成安装。

高速加工时，在离心力的作用下主轴内孔、波纹锥套、刀柄本体柄部都发生不同程度的离心膨胀，其中主轴内孔的膨胀量大于波纹锥套的膨胀量大于刀柄本体柄部的膨胀量。因此在主轴内孔和波纹锥套外锥面之间、波纹锥套内孔和刀柄本体柄部之间产生间隙。同时主轴孔对波纹锥套的径向力减小，波纹锥套释放一定的过盈量，同时在碟形弹簧之前储存的弹性势能的作用下，使波纹锥套进一步产生弹性变形，外径增大，内径减小，补偿主轴内孔和波纹锥套外锥面、波纹锥套内孔和刀柄本体柄部之间的间隙，从而保证刀柄-主轴具有更高的联接性能，提高极限转速。