数控深腔加工刀具夹持技术研究

任成高，申晓龙

（湖南工业职业技术学院，湖南 长沙，410208）

深腔注塑模具零件加工，汽车覆盖件冲压模具零件加工，现已广泛采用数控加工中心机床的高速加工方式。由于切削条件的限制，在加工效率、机床使用成本、加工表面质量以及加工精度控制等问题上，仍然是一个普遍性工艺难题。深腔零件数控精加工需要使用细长杆刀具，但细长杆刀具使机床－刀具系统刚性变差，导致容易出现掉刀、断刀等问题，限制了加工效率和零件质量的提高，刀具夹持技术就成了解决这个难题的一个关键性问题[1]。

国内外常见的数控加工中心机床刀具夹持方式是刀柄－夹头－刀具式结构，主要形式有：弹性夹头式、应力锁紧式、静压膨胀式、热装式夹头[2-3]。弹簧夹头式通用性好，使用方便，但通常夹持刚度不够且不易控制。相对来说，只要能够克服弹簧夹头式夹紧力小、夹持不确定等缺点，弹簧夹头式制造简单，且现存刀柄量大，比其他方式更有发掘优势。充分利用已有的机床设备，提高弹簧夹头的装刀性能和装夹可靠性，最大限度地提高其使用效率，与加工普通零件一样来加工深腔模具，是刀具装夹应用发展的一个方向。

1 数控机床刀具夹持方式

1.1 弹性夹头式

弹性夹头又称弹性筒夹，是一种装在钻、铣床上的钻铣夹头，其功能是夹紧钻刀或铣刀。目前用得最多的是ER 弹性筒夹，其性能稳定，精度高。弹性夹头优点：同心度好、适合多种尺寸的刀具；夹紧力强、成本低且方便清洗。缺点：每把刀具的同心度都必须经过检验，使用者需要一定的技术；难保持制造商指定的精度标准，即精度保持性一般。

1.2 应力锁紧式

应力锁紧式刀具夹紧技术是一种超高精度夹持刀具的先进技术，适用于加工中心、高精度镗铣床等加工设备。目前用得最多的是RIBOS-S 型应力锁紧式刀具夹头，该夹头用来夹持钻头、铰刀、铣刀等，该夹头夹持孔具有精确设计的轴对称特殊几何形状，使用专用加载器从外部对夹头夹持段加压，夹头夹持刀具后始终处于弹性变形状态；松开加载器，刀具就被夹头巨大的变形恢复力牢固地夹紧。

1.3 静压膨胀式

静压膨胀式刀具夹紧系统广泛应用于加工中心、金属切削加工生产线及各类镗铣床上，也可以高精度液压芯轴的形式在车床、磨床和齿轮加工机床中担任精密夹持工件的任务。通常静压膨胀式刀具夹头夹持回转精度在3 微米以内，具有夹持精度极高的特点；内藏油腔结构及高压油大大地增加了结构阻尼，起到吸振减振的作用，这种夹紧系统还能使刀具在切削加工中的使用寿命得到极大提高。

1.4 热装式夹头

热装式夹头是利用热胀冷缩将刀具夹持部分加热至300℃左右，再将刀具柄部插入，冷却后即可将刀具夹紧，这类夹头通常用热风方式加热，也有采用特殊电磁感应方式加热装置。配有直线电机驱动系统，主要用于高速高精度切削加工；改进的新型i-tec 热套夹头符合最新ISO 标准，热缩性夹头优点是具有优异的动平衡性能、同轴度高，极强的刀具挟持力，可传递较大的扭矩；缺点是容易因使用者操作不当而损坏。

2 夹头夹紧原理与ER 系列弹性筒夹

2.1 夹头夹紧原理

夹头是数控加工中心机床中极为重要的一个零部件，夹头型号多种多样，夹头的主要作用是用来固定钻头、铣刀或铰刀的。夹头的形状一般都是圆柱形的，而且头部的地方是突起的，夹头的头部呈三角分叉状，使用时可以根据对螺帽的旋转来控制头部的开启和闭合。夹头的头部三角分叉型能够很好地固定铣刀和钻头，夹头能够在机床主轴转动时吸收一部分由运动产生的震动，且头部可以很吻合地夹紧刀具，安全性比较高（图1、图2）。

图1 夹头夹紧剖切图

图2 夹头夹紧原理图

弹簧夹头的安装、拆卸过程：将弹簧夹头、紧锁螺母的螺纹部分及定位面、锥面清理干净；夹头装入紧锁螺母内，然后将装有弹簧夹头的锁定螺母轻轻拧在刀柄、接杆或者主轴上，螺帽底部有小圆点标记，将弹簧夹头的槽装入螺帽的偏心环位置；在夹头与紧锁螺母的安装过程中夹头与锁紧螺母倾斜一定角度，按照箭头指示方向将弹簧夹头推入直至听到咔哒声响，代表弹簧夹头已经安装到位。然后装入刀具，将装有弹簧夹头的螺帽装到刀柄上。

2.2 ER 系列弹性筒夹

ER 夹头采用特殊材质可防锈蚀，夹紧力大，变形小，精度稳定，耐磨性高，相同锁紧力的情况下磨损性能优于SK 夹头，使用寿命更长。PP 级精度（仪器级）径向跳动≤0.001，表面光滑亮洁。广泛用于铣、镗、钻、攻丝、磨、雕刻等加工。通常用于数控刀柄配 套使用，适用于高速数控加工中心机床（图3、图4）。

图3 ER 系列弹性筒夹结构参数

图4 ER 弹性筒夹尺寸标准

3 弹性夹头的设计、计算与加工

3.1 弹性夹头的材料

高碳钢和渗碳钢一般可作为弹性夹头的工作材料，在夹紧较大刀具和夹紧力较大工作情况时，弹簧夹头常采用合金钢制造。为得到更好的耐磨性和弹性，弹性夹头需要渗碳和淬硬处理。圆锥有急剧变化的薄壁弹性夹头通常采用热处理变形较小的4XC 铬钢，同时采用4XC、9XC 等铬钢也能保证薄壁弹性夹头有较高的耐用度、较长的工作寿命。当采用12XH3A 和15XA 渗碳钢制造而成的弹簧夹头，由于这种钢内含有的一定镍的成分，故具有最好的耐磨性能。

通常采用弹簧钢和合金钢制造弹性夹头，由于夹紧部位硬度偏低、磨损加快，或出现弹性部位断裂问题。渗碳合金钢20CrNiMo 气体滲碳淬火制作弹性夹头，重复循环次数达35×104，具有高的疲劳强度，取得了好的效果。

3.2 夹头的结构设计

弹性夹头是现代机床夹持刀具的重要定心夹紧工具，夹头不易损坏刀具表面，且具有高的定心精度（高精度达0.01～0.02mm）。夹头是具有多瓣开槽的弹性套，分单、双面开槽，夹头夹紧刀具相当于多楔面夹紧，夹紧钳口锥角一般为12°～30°，利用其径向弹性将刀具夹紧。将夹头端部结构改为弧形，通过材料截面惯性矩来确定尺寸a和b 的值，如图5 所示。

图5 弹性夹头的结构设计

调整刀片中心保证高度H、控制轴向切入深度L，在卧式铣床上即可加工。选定刀片半径R，中心高度H、轴向切入深度L，可根据如下几何算式得到：

3.3 弹性夹头夹紧装置的计算

弹性夹头通常作为薄壁空心及较小零件的定心和夹紧用，相对卡爪式夹紧装置而言，弹性夹头夹紧装置工作时相当准确，夹紧时也不致损坏夹紧表面。弹性夹头心轴设计时应先考虑到零件的拆卸方便，为使零件容易卸下，一般弹簧夹头常采用30°圆锥顶角。若是按零件内孔定心的弹簧夹头优先采用5°～15°的圆锥顶角。

弹性夹头夹紧装置的工作能力要求取决于其各部分是否相称适合，弹性夹头的尺寸可通过查表得到，其基本尺寸也可采用下面计算公式确定，弹性夹头夹紧装置的计算见图6。

图6 弹性夹头夹紧装置的计算

对向内夹紧的弹性夹头当D/d1=0.8～1 时（式中d1 为弹性夹头配合的直径），各基本尺寸可按下面经验公式来计算：

夹持直径与槽数关系见表1。

表1 夹持直径与槽数关系

为了保证正确精密地夹紧零件，使弹性夹头的各夹瓣都能完全紧密地贴合接触，在计算弹性夹头和套筒的圆锥顶角时，应使得夹紧与被夹紧部分的表面通常先在前面部分就开始先接触。

3.4 弹性夹头的加工

弹簧夹头对工作孔径与尾部外圆及头部锥体部分有较高的同轴度要求，弹簧夹头的加工工艺主要与其工作孔的大小有关，按加工工艺要求可分为：工作孔能磨（4.5 毫米以上）及不能磨（4.5 毫米以下）两类。前者工艺较为简单，后者由于工作孔不能磨削，因此工艺比较复杂一些。

（1）第一类弹簧夹头的工艺特点是：沟槽在热处理前不铣穿，沟槽的端头留出5～6 毫米，以免在热处理时发生很大的变形。热处理后先磨外圆，再以外圆为基准磨工作孔，最后用薄砂轮将沟槽切穿。

（2）第二类弹簧夹头的工艺特点是：在热处理后先用薄片砂轮将沟槽切穿，然后研磨工作孔，再用铁丝扎紧外部，固定在心轴上磨外圆。

如在上述图5 中的弹性夹头既是夹紧元件也是定位元件，夹头的内孔和外圆锥面都是定位表面，且内孔与外圆锥面间有较高的同轴度要求，并需满足其夹紧力分布均匀又变形小，夹头上均匀开有六个槽，槽宽0.5mm，可用专用立式铣床加工。

4 弹性夹头在数控加工中心机床上的应用

4.1 数控加工中心机床主轴部件典型结构

数控加工中心机床主轴部件典型结构见图7。主轴1 的前支撑4 配置了3 个高精度的角接触球轴承，用以承受径向载荷和轴向载荷，前两个轴承大口朝下，后一个轴承大口朝上。前支撑预加载荷计算预紧量由预紧螺母5 来调整。后支撑6 为一对小口相对配置角接触球轴承，它们只承受径向载荷，因此轴承外圈不需要定位。该主轴选择的轴承类型和配置形式满足主轴高转速和承受较大轴向载荷的要求。主轴受热变形向后伸长，但不影响加工精度。

图7 数控加工中心机床主轴部件典型结构

4.2 刀具的自动夹紧机构

如图7 所示，主轴内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构。它主要由拉杆7、拉杆端部的四个钢球3、碟形弹簧8、活塞10 和液压缸11 等组成。机床执行换刀指令，机械手从主轴拔刀时，主轴需松开刀具。此时液压缸上腔通压力油，活塞推动拉杆向下移动，使蝶形弹簧压缩，钢球进入主轴锥孔上端的槽内，刀柄尾部的拉钉（拉紧刀具用）2 被松开，从而机械手拔刀。随后压缩空气进入活塞和拉杆的中孔，吹浄主轴锥孔，为装入新刀具做好准备。当机械手将下一把刀具插入主轴后，液压缸上腔无油压，在碟形弹簧8 和弹簧9 的恢复力作用下，拉杆、钢球和活塞退回到图示的位置，即碟形弹簧通过拉杆和钢球拉紧刀柄尾部的拉钉，进而使刀具被夹紧。

刀杆夹紧机构用弹簧夹紧，液压放松，以保证在工作中突然停电时，刀杆不会自行松脱。在夹紧时，活塞10 下端的活塞杆端与拉杆7 的上端部之间有一定的间隙（约为4mm），以防止主轴旋转时端面摩擦。刀具夹紧具体受力情况如图8 所示。

图8 刀具夹紧受力图

机床采用的是7：24 号锥柄刀具，锥柄的尾端安装有拉钉2，拉杆7 通过4 个钢球拉住拉钉2 的凹槽，使刀具在主轴锥孔内定位及夹紧。拉紧作用力由碟形弹簧8 产生。碟形弹簧共有34 对68 片，组装后压缩20mm 时弹力为10kN，压缩28.5mm时弹力为13kN，此时拉紧刀具的拉紧力等于10kN。换刀时，活塞10 推动拉杆7，直到钢球进入主轴锥孔上部的直径37mm 环槽，这时钢球已不能约東拉钉的头部。拉杆继续下降，拉杆的a 面与拉钉的顶端接触，进而把刀具从主轴锥孔中推出，机械手即可将刀取出。

5 结语

大型深腔注塑模具零件加工，汽车覆盖件冲压模具零件加工，现已广泛采用数控加工中心机床的高速加工方式。深腔零件数控精加工需要使用细长杆刀具，但细长杆刀具使机床－刀具系统刚性变差，导致容易出现掉刀、断刀等问题，国内外常见的数控加工中心机床刀具夹持方式主要形式有：弹簧夹头式、应力锁紧式、静压膨胀式、热装式夹头。

本文在数控加工中心机床上传统的刀具夹持方式上，结合夹头夹紧原理与ER 系列弹性筒夹，应用弹性弹簧夹头式的刀柄－夹头－刀具式结构，提供了部分经验公式，合理地进行弹性弹簧夹头的设计、计算与加工，并将弹性弹簧夹头应用在数控中心机床上的深腔零件刀具夹持与加工，取得了成功。