一种机械式自膨胀高速刀柄的制作方法

技术领域本发明涉及一种机械加工刀具，特别是用于高速切削的刀具。

背景技术：
由于高速加工具有高效率、高精度和高表面质量等优点，在机械加工中获得了广泛应用。高速工具系统是由主轴、刀柄、夹头、刀具和夹紧机构所组成的联接系统，其中刀柄是联接主轴与刀具的关键部件。高速加工对高速刀柄/主轴接口的定位精度、联接刚度等性能提出了严格的要求。高速状态下刀柄/主轴接口存在的最大问题是刀柄与主轴的高速离心膨胀不匹配，即主轴离心膨胀量大于刀柄的离心膨胀量，影响刀柄/主轴接口的极限转速(刀柄与主轴保持良好定位精度的最高转速)、定位精度和联接刚度。针对高速主轴/刀柄接口的离心膨胀问题，国内外的解决措施包括：(1)增大主轴/刀柄的配合过盈量，补偿二者的离心膨胀差。(2)增大刀柄的离心膨胀量。采用空心刀柄并使用胀爪式拉刀机构助其膨胀，如hsk刀柄。(3)减小主轴膨胀量。

为解决高速离心膨胀问题，德国、美国、日本等国家先后开发出几种种高速刀柄。一类是采用锥面1:10锥度的替换型高速刀柄，如德国的hsk、美国的km和瑞典的capto等高速刀柄；另一类是锥度7:24的传统bt刀柄的改进型，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刀柄的结构特点是：空心、薄壁、短锥，锥度为1:10；端面与锥面同时定位、夹紧；使用由内向外的外涨式夹紧机构。虽然hsk刀柄很大程度上提高了主轴的极限转速，但依然存在着一些问题：(1)极限转速仍偏低，不能满足更高转速要求；(2)局部不对称结构导致动态性能差；(3)外胀式夹紧机构使锥面接触不均匀，导致锥柄局部磨损严重。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种结构简单，易于实现主轴和刀柄离心膨胀的动态补偿且极限转速可显著提高的机械式自膨胀高速刀柄。

本发明的技术方案具体如下：

本发明主要包括：锥体、芯轴和碟形弹簧。刀柄的锥体为空心短锥，其锥度为1:10，在该锥体上设有轴向条形通孔，最好为均布的6-12个轴向条形通孔，用于提高径向柔度，具体数目根据刀柄规格决定。锥体首端(即大开口端)外锥面设与其连为一体的法兰，该法兰上设有螺孔，其与夹头通过紧固螺钉相连。锥体的尾端(即小开口端)内锥面设与其连为一体的圆环，其中心通孔直径与芯轴的短轴外径相对应，使短轴可插在中心通孔内。该置于锥体内的芯轴其短轴上设有两个与短轴垂直相连的圆台，并且两圆台的外周面均为与锥体设轴向条形通孔部分的内锥面对应的锥面。所述芯轴短轴的长度≤刀柄锥体的长度。所述芯轴短轴朝向锥体尾端的一端设轴向内螺孔，其为标准拉钉孔，用于连接拉钉。在锥体尾端与芯轴圆台之间设有套在短轴上的碟形弹簧，其作用是减震和卸下刀柄时使芯轴复位。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.能够对刀柄与主轴的离心膨胀进行动态补偿，提高刀柄/主轴接口的极限转速。与现有1:10锥度的高速刀柄兼容，结构简单，易于实现。

2.本发明为空心结构，减小了刀柄质量，可实现快速换刀。

3.碟形弹簧对主轴-刀柄系统具有减振作用，提高了刀柄的动态性能。

附图说明

图1为本发明使用状态主视剖面示意图。

图2为本发明轴侧示意图。

图3为本发明刀柄锥体的轴侧示意图。

图4为本发明芯轴的轴侧示意图。

其中：1、夹头；2、螺钉；3、锥体；4、碟形弹簧；5、芯轴；6、拉钉；7、螺孔；8、轴向条形通孔；9、内锥面；10外锥面；11、圆台a、12、圆台b；13、拉钉孔。

具体实施方式

在图1和图2所示的机械式自膨胀高速刀柄的示意图中，刀柄的锥体3为空心短锥，其锥度为1:10，在该锥体上设有均布的8个轴向条形通孔8，如图3所示。锥体首端(即大开口端)外锥面10设与其连为一体的法兰，该法兰上设有螺孔7，其与夹头1通过紧固螺钉2相连。锥体的尾端(即小开口端)内锥面9设与其连为一体的圆环，其中心通孔直径与芯轴5的短轴外径相对应。该置于锥体内的芯轴其短轴上设有两个与短轴垂直相连的圆台a11和圆台b12，并且两圆台的外周面均为与锥体设轴向条形通孔部分的内锥面对应的锥面。所述芯轴短轴的长度≤刀柄锥体的长度。所述芯轴短轴朝向锥体尾端的一端设轴向内螺孔，其为标准拉钉孔13，用于连接拉钉6，如图4所示。在锥体尾端与芯轴圆台之间设有套在短轴上的碟形弹簧4。

本发明的工作过程和作用原理大致如下：

装入刀柄时，机床拉刀机构(安装在主轴孔中)通过拉钉6拉紧刀柄，实现外锥面10和端面双面接触。刀柄拉紧后，拉刀力f(作用于拉钉6上的轴向力)等于碟形弹簧4的弹力与芯轴上两个圆台11、12的锥面所受的轴向力(刀柄锥体内锥面9对芯轴5的轴向作用力)之和，此合力转化为刀柄的锥面和端面压力使刀柄与主轴可靠联接。主轴高速旋转时，刀柄锥体3离心膨胀量小于主轴锥孔离心膨胀量，配合面接触应力减小甚至出现间隙，此时芯轴上两个圆台11、12的锥面的接触压力(刀柄锥体内锥面9对芯轴5的作用力)减小，芯轴5受力平衡被破坏。拉刀力f通过拉钉6使芯轴5产生微量轴向位移，增大芯轴上两个圆台11、12的锥面与刀柄锥体3内锥面9间的压力，使刀柄外锥面10发生径向变形，补偿主轴与刀柄锥体3的离心膨胀差，保持合理的锥面配合接触应力，提高极限转速。

技术特征：

技术总结
一种机械式自膨胀高速刀柄，刀柄的锥体为空心短锥，其锥度为1:10，在该锥体上设有轴向条形通孔，锥体首端外锥面设与其连为一体的法兰，其上设有螺孔，其与夹头通过紧固螺钉相连，锥体尾端内锥面设与其连为一体的圆环，其中心通孔的直径与芯轴的短轴外径相对应，该置于锥体内的芯轴其短轴上设有两个与短轴垂直相连的圆台，并且两圆台的外周面均为与锥体设轴向条形通孔部分的内锥面对应的锥面，所述芯轴短轴朝向锥体尾端的一端设轴向内螺孔，其为连接拉钉用的标准拉钉孔，在锥体尾端与芯轴圆台之间设有套在短轴上的碟形弹簧。本发明结构简单，易于实现主轴和刀柄离心膨胀的动态补偿且极限转速可显著提高。

技术研发人员：王军;吴文文;雷鸿飞
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2017.05.05
技术公布日：2017.08.04