BT与HSK工具系统高速加工性能比较分析

Ａｂｓｒ ｃ ：Ｏｎ ｔ ｅ ｂ ｓｓｏ ｈ ｔｕ ｔ ｒ ｌｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｓａ ｉ ｌ ｔ ｎ ａ ｄ ｄ ｇｔ ｌａ ａｙ ｉ ｏ ｎ Ｋ ｏ ｌｓ ｓ ｔａ ｔ ｈ ａ ｉ ｆｔ ｅ ｓｒ ｃ ｕ ａ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｎｄ ｓｍｕ ａｉ ｎ ｉ ｉ ｎ ｌ ｓｓｆ ｒＢＴ ａ ｄ ＨＳ ｔｏ ｙ — ｏ ａ
情况 。实 验结 果 表 明 ， Ｋ工 具 系 统 变 形 比 Ｂ ４ ＨＳ Ｔ ０工
况 。图 ６为高 速旋 转 时 Ｈ Ｋ刀 柄 和 主 轴 在 不 同离 心 Ｓ
力 作用 下 的扩 张情 况 。
比较 图 ４ 和 图 ６ ｃ ｃ可 以看 出 ， 速状 态下 ， 高 主轴 与 刀柄 间的 间隙 Ｈ Ｋ工 具 系统 比 Ｂ Ｓ Ｔ工 具 系 统 小 ， 其 且 接触 面 之 间 的问 隙也 相 对 均匀 。 由此 可 知 ： Ｓ Ｈ Ｋ工 具 系统 的结 构 在 高转 速下 的 动态 特 性 比 Ｂ Ｔ工 具 系 统 的 结构 的优 越 ， 证 明 了不 同 的工 具 系统 结 构 形 式 对 主 也 轴 和刀柄 的连接 系 统 动态 特 性 有 很 大 的影 响 ， 面定 双 位 、 心 薄壁 结构 优 于单 面定位 、 心锥 柄结 构 。 空 实
夹紧前 夹紧后
泊松 比 ＝ ．０ 摩 擦 系 数 ＝０ １ 。通 过 解 算 有 限 ０３ ， ．５
元 ， 以得 到在 离心 力作 用下 主 轴 和 刀柄 的径 向变形 可 情况 ， 图 ４所 示 。图 中 的纵 坐 标 变形 量 即为 主 轴 和 如 刀柄 的径 向位 移量 ， 为节 点到 主轴端 面 的距 离 。
Ｈ Ｋ刀柄 采用 了锥 度 １： ０的 空心 短 锥 柄 结构 ， Ｓ １ 可进 行锥 面 （ 向） 径 和法 兰端 面 （ 向 ） 面 定位 ， 现 轴 双 实 与主 轴 的刚性连 接 ， 图 ２所 示 。 当刀柄 在 机 床 主 轴 如
示 。该 刀 柄在 机床 主轴 锥孔 安装 时仅 靠锥 面 实现径 向
高速 切削 加工 刀具 技术 是 高速切 削加 工 的一个 关 键 技术 ， 包括 高速 切 削 刀 具材 料 和工 具 系 统 两 个 方 它 面 。在 工具 系统 方 面 ， 统 的 Ｂ 传 Ｔ工 具 系统 采用 ７： ４ ２ 锥 度实 心 长 刀 柄 结 构 已不 能 满 足 高 速 切 削 加 工 的要 求， 必须 研 发各种 新 型结 构 的工具 系统 ， 现采 用较 多 如 的 ＨＳ Ｋ工具 系 统 、 Ｍ 工 具 系 统 等 。 Ｂ Ｋ Ｔ工 具 系 统 与
Ｈ Ｋ工 具 系 统 由于 结构 不 同 ， 高 速切 削加 工 性 能相 Ｓ 其
差甚 远 ， Ｔ工具 系统 几乎 不 能用 于高速 切 削加工 。 Ｂ
低 速 状 态
鬲透 状 态
图１ ＢＴ Ｉ具 系统结构
１ Ｂ Ｔ与 ＨＳ 工 具 系统 的 结 构 特 点 Ｋ
Ｂ Ｔ刀柄 为 ７： ４锥 度 实心 长刀 柄结 构 ， 图 １所 ２ 如
作 为分析 对象 ， 别对主 轴和 刀柄进 行有 限元分 析 ， 分 建 立 的有 限元 分 析 模 型 如 图 ５ 。定 义 材 料 属性 为 ： 度 密
ｍ＝７ ８ ０ ｇ ｍ ， 性 模 量 Ｅ＝２ ０ ×１ “Ｎ ｍ ， ． ×１ ｋ ／ 弹 ． ３ ０ ／
Ｚ
图３ ＢＴ ０刀柄有限元模 型 ４
中 图分 类号 ： Ｇ７ ０ ３ Ｔ １． 文献 标识 码 ： Ａ
Ｃｏ ｍｐ ｒｔ ｅ ａ ａｙ ｉ ｎ ｔ ｅ ｐ ｒ ｒ ｎ ｅ ｆＢＴ ａ ｄ ＨＳＫ ｓ ａ ｋ ａ ａ ｉ ｎ ｌｓｓ ｏ ｈ ｅ ｆ ｍａ ｃ ｓ ｏ ｎ ｖ ｏ ｈｎ ｆ ｒｈｇ － ｐ ｅ ｕｔ ｇ ｏ ｉｈ ｓ ｅ ｄ ｃ ｔｉ ｎ
Ｃ Ｅ ｈｐｎ ， Ｉ ｉｇ ｎ Ｈ Ｎ Ｓ ｉ ｇ Ｌ ｎｆ ｇ ｉ Ｑ ｅ
（ ｃ ｏｌ ｆ ｕｏ ｂｌ，Ｃ ｏ ｇ ｉｇＵ ｉ ｒ ｔ ｏ ｅｈ ｏ ｇ ，Ｃ ｏ ｇｉｇ４ ０ ５ Ｃ Ｎ） Ｓ ｈｏ ｏ ｔ Ａ ｍｏｉ ｅ ｈ ｎｑｎ ｎｖ ｓｙ ｆ ｃｎ ｌ ｙ ｈ ｎｑｎ ０ ０ ４， Ｈ ｅ ｉ Ｔ ｏ
上， 空心 短锥柄 产 生弹性 变形 ， 并使 其端 面与 主轴端 面
靠 紧 ， 现 了刀柄 与 主轴 锥 面 和 主轴 端 面 同 时定 位 和 实 夹 紧的 功能 。 由此 可见 ， Ｓ Ｈ Ｋ工 具 系统 与 Ｂ Ｔ工 具 系 统 由 于 结 构特 点不 同 ， 高速 加 工性 能也 不 同 ， Ｔ工具 系 统 不 则 Ｂ 适宜 用 于高速 加工 。这 可 以从 下 面的分析 中得 到进 一
～
—
Ｆｃｎ ｊ功 能 都 件 ｕｉＵｓ ｎ ｌ ｔｎ ｏ
Ｂ Ｔ与 Ｈ Ｋ工具 系 统 高 速 加 工 性 能 比较 分 析 Ｓ
陈世平 李青锋
（ 重庆 理 工大 学汽 车 学院 ， 重庆 ４ ０ ５ ） ００４ 摘 要： 通过 对 Ｂ Ｔ工具 系统 和 ＨＳ 工具 系统 的结构 特 点和数 字模 拟分 析 比较 ， 理论 上论 证 了 ＨＳ 工具 Ｋ 从 Ｋ 系统 的高 速加 工性 能优 于 Ｂ Ｔ工具 系统 ， 并通 过 实验 比较 了两者 的静 、 动态 性能 。 关键 词 ： Ｔ工 具 系统 Ｂ ＨＳ 工具 系统 Ｋ 高 速加 工 性能 比较
锥孔上 安装 时 ， 空心短 锥柄 与主 轴锥 孔能完 全接触 ， 起
到定心 作用 。此 时 ， Ｓ Ｈ Ｋ刀 柄法 兰 盘 与 主轴 端 面之 间 还存 在 约 ０ １ｍｍ 的 间 隙 。在 拉 紧 机 构 作 用 下 ， 杆 ． 拉 的 向左 移动使 其 前端 的锥 面将 弹性 夹 爪 径 向胀 开 ， 同 时 夹 爪 的外 锥 面作 用 在 空 心 短 锥 柄 内孔 的 ３ 。 面 Ｏ锥
孔 内将 很 难拆 卸 。
功 能 部 件 Ｆｃ Ｕｓ １ ｎ ｕｉ ｉ ｎ ｌ ｏ
步 证实 。
主轴
ｇｒ＼ ｔ 删
８ ７ ６ ４ ３ ２ １ Ｏ Ｓ
区域分 割成有 限个 单 元 ， 在 每一 个 单 元 上指 定 有 限 并 个 节点 ， 然后 对求 解 区域进行 模拟 或逼 真分析 。
对 于 Ｈ Ｋ工具 系 统 ， 取 Ｈ Ｋ ３ Ａ型 工 具 系 统 Ｓ 选 Ｓ ６一
图２ ＨＳ Ｋ工 具 系 统 结 构
２ Ｂ Ｔ与 ＨＳ 工 具 系统 的数 字 模 拟 分 析 Ｋ
数 字模 拟分析 法 是保 留工 程 问题 的复 杂 性 ， 用 利 数 字计算 方法 求得 问题 的近 似数值 解 的一种工 程计 算 方 法 ， 常用 的就 是 有 限元 数 字 分 析 法 。有 限元 法 是 最 把 一个 物体 看成是 有 限 个小 单 元 的集 合体 ， 每一 单 对 元 假定一 个合 适 的 （ 简单 的） 似解 ， 后 推 导求 解 较 近 然 这 个物体 总 的满 足条件 （ 结 构 的平 衡 条件 ） 从 而得 如 ， 到 问题 的解 。 用 有 限元 法 求 解 时 ， 应 应把 连 续 的求 解
图５ ＨＳ ３－ Ｋ６ Ａ刀柄有 限元模 型
１
４５ ． ０８ ．
４
自 ３５ ．
３
＼
呈ｌ ０ ６
型． ｏ ４
Ｏ・ ２ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ０ ０ ０ ０ Ｏ Ｏ ０
泊 松 比 ／ ． ０ 摩 擦 系 数 ＝０ １ 。通 过 解 算 有 限 ／ ＇ ３， ＝０ ．５ 元 ， 以得 到离 心力 作 用 下 主 轴 和 刀 柄 的径 向变 形 情 可
图 ８表 明 了 Ｈ Ｋ ３ Ａ刀 柄 （ ８ ｋ Ｓ ６一 １ Ｎ轴 向拉 紧力 ）
和 Ｂ４ Ｔ ０刀柄 （２ｋ １ Ｎ轴 向夹 紧力 ） 承受 弯矩载 荷 时 ， 其 径 向刚度 （ 以离 轴 端 １ｍ 处 的 径 向位 移衡 量 ） 的变 化
具系 统 的小 ， 相应 的径 向刚度 、 载能力 高 。 其 承 图 ９表 明 了 ＨＳ ６ 一 Ｋ ３ Ａ刀柄 随着 转速 提高 、 离心 力 增大 ， 其轴 向拉 紧力也 增 大 ， Ｂ 而 Ｔ刀柄 的 轴 向拉 紧力
几 乎不 变 。
图１ ０为 Ｈ Ｋ ３ Ａ刀柄 和 Ｂ ４ Ｓ６ 一 Ｔ０刀柄 重 复 安装 精
ｔ ｍｓ，ｉ ｓ ｄ ｍ ｏ ｔａｅ ｎ ｔ ｏ ｙ ｔ ａ Ｓ ｔｏ ｙ ｔ ｍｓ ａ ｅ ｓ ｅ ｒ ｔ ａ ｅ ｔｉ ｅ ｎｓｒ ｔ ｄ ｉ ｈｅ ｒ ｈ ｔＨ Ｋ ｏ ｌｓ ｓｅ ｒ ｕｐ ｍｏ ｈ ｎ ＢＴ ｏ ｌ ｓ ｓｅ ｒ ｈｇ ｔｏ ｙ ｔ ｍｓ ｆ ｉｈ— ｏ ｓ ｅ ｄ ｃ ｔｉ ｇ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ． Ｔ ｅ ｆｒ ｎ ｅ ｆｄ ｎ ｍｉ ｎｄ ｓａｉ ｒ ＢＴ ｎ ｐ ｅ ｕ ｔｎ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｈｅ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｓ ｏ ｙ ａ ｃ ａ ｔｔｃ ｆ ｏ ａ ｄ ＨＳＫ ｏ ｌ ｓ ｓｅ ｓ ａ ｅ ｔｏ ｙ ｔｍ ｒ ｃ ｍ ｐ ｒ ｄ ｔ ｒ ｕ ｈ ｅ ｐ ｒｍ ｅ ｔ ． ｏ ａ ｅ ｈ ｏ ｇ ｘ ｅ ｉ ｎ ｓ Ｋ ｅ ｗ ｏ ｄｓ：ＢＴ ｈ ｎ ｙ ｒ Ｓ ａ ｋ；Ｈ Ｓ Ｓ ｎ Ｋ ｈａ ｋ； Ｈｉｈ－ｓ ｅ ｄ Ｃｕｔ ｎ ｇ ｐ ｅ ｔ ｇ；Ｐｅ ｏ ｍ ａ ｃ ｓ Ｃｏ ａ ｅ ｉ ｆ ｒ ｒ ｎ ｅ ｍｐ ｒ
会发 生 变化 ， 刀柄 将 内陷 主 轴 孔 内 ， 刀柄 、 具 以及 夹 刀 头 的质 心也 发生 偏移 ， 而使 刀 柄 的锥 度 连 接 刚度 和 从 定 位 精度 下 降 ， 响 了工 具 系统 整 体 的不 平衡 和 刀具 影 稳 定 切 削条件 。另外 ， 当机 床停 机后 ， 柄 内陷 于主轴 刀
（） ００ ０ｒ ｍｉ 时主轴与刀柄膨胀变形比较 ｃ 在３ ０ ／ ｎ
图４ 离 心力作用下主 轴与刀柄径 向膨胀变形
图６ ＨＳ ６ 一 在离心力作 用下主轴与 刀柄 径 向变形 Ｋ ３Ａ
＝ ； ；
２１ ０ ２￣ ４
Ｆｃｎ ｉ 能 都 件 ｕｉＵｓ ｎ ｌ ｌ ｎ功 ｏ
定 位 和轴 向定位 ， 用拉 杆 拉 紧 。在 普 通 切 削 加 工 的 并 转 速下 ， 柄与 主 轴 问无 变 化 。但 在 主轴 高 速 旋 转 状 刀 态 时 ， 巨大离 心力 的作 用下 ， 在 由于刀柄 与 主轴 孔 的膨 胀量 不 一致 ， 导致 主轴 与刀 柄 锥 面 接 触 面积 减 少 。同 时， 在夹 紧机 构 的拉 杆拉 力 的作用 下 ， 刀柄 的轴 向位置
删 ２５ ．
２
１
Ｏ５ ．
Ｏ
ｘ ｍｍ ｜ （ ）主轴膨胀变形量 ａ
ｘ ｍｍ ｜
（ 刀柄 膨 胀 变 形 量 ｂ）
ｘｌ ｍ ｍ （ 主 轴 膨 胀变 形 量 ａ）
ｘ ｍｍ ／
（ ） 柄膨 胀 变 形 ｂ刀
Ｘ｜ ｍ ｍHale Waihona Puke Baidu
ｘ｝ ｍ ｍ
（ ） ３ ０ ／ ｎ ｃ ００ ０ ｒ ｍｉ 时主轴与刀柄膨胀变形比较
对于 Ｂ Ｔ工具 系统 ， 取 Ｂ ４ 工 具 系统作 为分 选 Ｔ ０型 析对 象 ， 分别 对 主轴和 刀柄进 行有 限元分 析 ， 建立 的有 限元 分析模 型 如 图 ３所 示 。为 了便 于 研究 ， 在建 立 模 型时 不考虑 键槽 、 片等 的影响 。定义 材料 属性 为 ： 芯 密 度 ｍ＝ ． × ０ ｇ ｍ ， ７ ８ １ ｋ／ 弹性 模 量 Ｅ＝２ ０ × ０ ／ ． ３ １ “Ｎ ｍ ，