动力刀座发展与应用现状研究

郭智春， 刘伟

（1.沈阳机床（集团）设计研究院有限公司设计研究院研发部，沈阳 110142；2.沈阳机床（集团）有限责任公司沈阳机床数控刀架分公司，沈阳 110142）

0 引言

车铣复合加工中心是民用装备制造业以及航空、航天、军工、发电等重要工业部门的关键加工设备。动力刀座是车削中心数控刀架上的主要配套元件，动力刀座的使用拓展了机床的加工范围和整体制造能力，提高了机床加工效率和加工精度［1-4］。

本文主要介绍动力刀座的基本结构和工作原理，并分析目前动力刀座驱动接口形式、联接安装结构、切削功能单元和刀具夹持接口等主要构成模块的研究、发展和应用现状。

1 动力刀座的基本结构和工作原理

动力刀座的基本结构如图1所示。

图1 动力刀座的基本结构

动力刀座通过刀柄8安装到刀架的刀盘上，图1为典型的VDI刀柄联接形式，通过刀柄8上的斜楔固定牙2固定刀柄，常见的连接方式还有BMT和CDI等形式。刀柄8末端有驱动接口1，动力切削时刀架通过内部的离合器结构驱动驱动接口1，将动力从刀架传递给动力刀座内部的传动齿轮3等传动机构。传动齿轮3和轴承5等传动部件安装在刀架外壳4的内腔中，将动力从驱动接口1传递给刀具夹持接口6，刀具夹持接口6上安装切削刀具实现动力切削加工。冷却液出口7排出冷却液，用于加工过程中对工件进行冷却。图1所示为直动力刀座的传动结构，采用其他的传动结构形式可在夹持接口处得到多种不同的运动方式、实现特点的切削功能。

2 动力刀座主要功能模块

如图2所示，动力刀座各部分按照功能的不同，可分为驱动接口、联接安装结构、切削功能单元和刀具夹持接口。

图2 动力刀座主要功能模块

2.1 驱动接口

驱动接口是动力刀座与刀架离合器结构联接驱动的部件，其中最广泛采用的是标准化的DIN 1809、DIN 5480接口和DIN 5482接口。DIN 1809为凸榫式“一”字型键结构传动，结构简单，但存在一定的反向间隙，有冲击。DIN 5480和DIN 5482为花键结构传动，没有反向间隙，传动平稳。

除上述接口外，不同刀架和刀座制造企业还采用伞齿轮接口、齿盘型接口和梅花型接口等形式。梅花型接口根据不同的生产企业还有Baruffaldi TOEM MT、Duplomatic IT、OKUMA 1step、OKUMA 1step等形式，上述接口主要应用于特定企业定制产品，没有凸榫式和花键式驱动接口使用广泛。

2.2 联接安装结构

动力刀座和刀盘联接形式有VDI、BMT和CDI等形式。CDI连接形式属于山特维克企业面向高端的特殊定制产品，采用内置Capto系统精确定位，4个螺钉夹紧保证刚度。本文重点介绍VDI和BMT刀座刀盘联接形式。VDI采用标准化DIN69880刀柄联接结构，刀柄上有锯齿面，通过斜楔将刀柄固定在刀盘上，利用锯齿面和定位销定位，冷却液通过定位销孔提供。优点是快速换刀、标准化联接，供应商多，选择范围广泛。缺点是刀座刚性和在刀塔上的固定刚性差，重复定位精度差，调整难度大，夹紧力小。

BMT为非标准联接，采用4个键定位，通过4个螺钉固定，扳手安装，附加孔提供冷却。优点是刀座本身以及在刀塔上的固定刚性好，比VDI的重复定位精度高。缺点是安装形式出现时间较晚，目前还没有统一的标准，各个厂家都有各自不同的BMT接口，互换性差，生产的厂家还比较少，多为日韩系机床厂商使用。

图3 BMT和VDI刀盘对比

2.3 切削功能单元

切削功能单元主要采用齿轮传动，将动力由驱动接口传递给刀具夹持接口，图4为直刀座和直角动力刀座的传动原理图。直刀座动力驱动接口轴线方向与刀具夹持接口轴线方向重合，图4实例采用的是行星轮系传动。直角刀座动力驱动接口轴线方向与刀具夹持接口轴线方向相互垂直，图4实例采用的是一级锥齿二级直齿轮轮传动。

图4 直刀座和直角刀座

除直动力刀座和直角动力刀座外，目前刀座生产企业还研发了具有拉削功能的拉刀功能单元、具有动力驱动接口轴线方向与刀具夹持接口轴线方向角度可调的旋转头功能单元、具有双向夹持刀具功能的双向加工头单元、具有多孔同时钻削功能的多轴钻削头功能单元等众多功能单元。专用功能单元的出现，极大扩展了刀架的加工范围，专用功能单元是动力刀座制造企业在国内外机床展览会上的重要参展产品，代表了刀座制造企业的研发制造能力以及创新能力。

2.4 刀具夹持接口

刀具夹持接口用于夹持切削刀具，常见的夹持接口有DIN 6499弹簧夹头、DIN 6388弹簧夹头、DIN6358铣削头等标准化的夹持接口。除此之外，不同刀架和刀座制造企业还开发了其他的非标夹持接口。

图5 各种快换夹持形式对比

近年来一些制造企业基于提高换刀速度、改善夹持刚性等目的，陆续推出了各种快换接口，例如WTO的QuickFlex快换系统、EPPINGER的PRECIFLEX快换系统和SANDVIK COROMANT的Capto快换系统等。其中，驱动刀具采用模块化设计，利用快换扳手实现模块化刀具的更换，而模块化刀具的夹持方式依企业的不同分别采用了双锥面定位夹紧、锥面-平面定位夹紧和Capto类三棱锥面定位夹紧等方式。

传统的圆锥面定位夹紧方式采用一锥面作为定位夹紧面，容易出现夹紧力不足、导致刀尖跳动过大，系统刚性不足等问题。

双锥面定位夹紧方式采用两个独立的锥面作为定位夹紧面、锥面-平面定位夹紧方式采用锥面和平面作为定位夹紧面。超静定结构提高了夹紧精度和夹紧可靠性。

Capto接口采用类三棱锥面代替普通圆锥面，类三棱锥面可以承受较大的扭转力矩，提高了夹持结构的抗扭性能。

3 结论

主要分析动力刀座的基本结构和工作原理，分模块介绍了动力刀座驱动接口形式、联接安装结构、切削功能单元和刀具夹持接口的研究、发展和应用现状。

标准化的DIN 1809、DIN 5480和DIN 5482接口是目前最广泛应用的驱动接口形式，锥齿轮、齿盘和梅花接口较多应用于企业定制产品。

动力刀座和刀盘联接形式有VDI、BMT和CDI等形式，CDI为山特维克企业定制产品，VDI标准化程度高、换刀快、刚性差，BMT刚性好、换刀慢、标准化程度低。

直角刀座和直刀座是基本的切削功能单元。除此之外，拉刀功能单元、旋转头单元、双向加工头单元和多轴钻削头功能单元等功能单元的出现扩展了刀架的加工范围。

DIN 6499弹簧夹头、DIN 6388弹簧夹头、DIN6358铣削头等夹持结构是标准化的刀具夹持接口。目前刀座企业为提高换刀速度、改善夹持刚性，新开发了各种快换接口，典型的夹紧方式有：锥面-平面、双锥面和Capto类三棱锥等方式。

［1］ 现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［2］ 王建明.HEM与第三代动力刀座技术［J］.现代制造，2009（27）：40-42.

［3］ 马仕龙,李兆为,刘春时.动力刀架的动力刀座接口研究［J］.机械设计与制造，2010（12）：11-13.

［4］ 梁玉.可快换刀的新一代车削中心动力刀座［J］.制造技术与机床，2008（12）：7.