加工中心刀柄
加工中心刀柄介绍
随着加工中心在零件机械加工中的运用越来越普遍，加工中心刀柄的使用也越来越多。但是，刀柄的种类有很多，我们必须选择精度足够的、经济的、使用方便的刀柄用于零件的加工，这就要求我们对刀柄有全面的了解。
刀柄，用于连接加工中心主轴与切削刃具的装备。这就如同人用手拿着笔写字，人是机床，笔是切削刃具，手就是刀柄。
如图1所示，由于刀柄是与主轴连接、与刀具连接，所以刀柄的分类也主要有两种分类。按与加工中心主轴的连接方式分类：分为7:24锥度刀柄和1:10锥度刀柄；按刀柄与刀具的连接方式分类：分为侧固式刀柄、弹簧夹套式刀柄、液压刀柄、热涨刀柄等。
图1
一、刀柄与主轴连接方式
加工中心的主轴和刀柄之间通常采用锥度配合。锥度配合特点是具有定心性好、间隙或过盈可以方便地调整等。
图2
锥度C=（D-d）/L，如图2。
因此刀柄按锥度也分为7：24和1：10两大类。
（一）、7:24锥度刀柄定位原理及特点
1、7:24锥度刀柄定位原理
图3 图4
7:24锥度刀柄通过长锥面限制X、Y方向的移动及转动，Z方向的移动5个自由度，通过拉力F与锥面产生的摩擦力限制Z轴的转动（如图3、图4所示），从而实现刀柄的完全定位，此定位方式刀柄端面与主轴端面有间隙，如BT系列刀柄。
2、7:24锥度刀柄的特点
优点：
1）、不自锁，可以实现快速装卸刀具；
2）、刀柄的锥体在拉杆轴向拉力的作用下，紧紧地与主轴的锥面接触。
3）、7：24锥度的刀柄在制造时只要将锥角加工到高精度即可保证连接的精度，所以成本相应比较低，而且使用可靠。
缺点：
1）、单独的锥面定位。7：24锥度刀柄连接锥度较大，锥柄较长，导致a、换刀行程长，换刀时间慢；b、刀柄重量增加，机床损耗功率增加。
2）、在高速旋转时，由于离心力的作用，主轴前端锥孔会发生膨胀，膨胀量的大小随着旋转半径与转速的增大而增大，见图5，但是与之配合的7：24锥度刀柄由于是实心的所以膨胀量较小。（如：在离主轴中心r=0.02m处，一质量为m=100g的质点,在机床主轴转速为n=12000r/min时，所受到的离心力为F=3158.3N，即为315.83Kg的力。）
图5
则有：a、刀柄旋转时，在拉杆拉力的作用下，刀柄向位移，轴向精度低；b、刀具总的刚度会降低，导致刀具前端径向跳动大，加工位置的表面质量、位置精度都差；c、每次换刀后刀柄的径向尺寸都可能发生改变，存在着重复定位精度不稳定的问题；d、不适合高速切削
（二）、1:10锥度刀柄两面定位原理及特点
1、1:10锥度刀柄两面定位原理
图6 图7
1:10锥度刀柄，锥度部分为中空，当机床拉紧刀柄时，刀柄端面与主轴端面紧密贴合，同时刀柄锥面发生弹性形变，紧密贴合，形成过定位，限制刀柄X、Y 方向的移动及转动，Z方向的移动5个自由度（刀柄坐标如图4所示），另通过主轴的拉力，锥面之间、端面与端面之间产生的摩擦力限制Z轴的转动，如HSK系列刀柄。
2、1:10锥度刀柄两面定位的特点
优点：
1）、1:10锥度刀柄的结构形式与常用的7:24锥度刀柄不同，它是一种新型的高速锥型刀柄，在拉紧力作用下，端面定位防止刀柄的轴向窜动，轴向重复定位精度高达1μm；同时端面紧紧贴合，产生很大的静摩擦力，对主轴锥孔受离心力变大有很好的抑制作用，所以其径向跳动不超过5μm。具有高的轴向及径向精度。
2）、1:10短锥柄部长度短（约为标准7:24锥柄长度的1/2）、重量轻（柄部空心），因此有利于减少换刀时间及机床的小型化；
3）、由于1:10刀柄是双面贴合，则其具有更大的动、静径向刚度，所以刀具系统不易产生震动，加工精度高，刀具也不易磨损。同时也非常适合在高转速下使用，定心准确，1:10刀柄可使用于60000r/min的主轴转速。
4）、较好的动平衡性，在高速切削加工条件下，微小质量的不平衡都会造成巨大的离心力，在加工过程中引起机床的剧烈震动。
图8 图9
缺点：
1）、结构复杂，制造精度要求高，成本高（刀柄价格是普通标准7:24刀柄的1.5～2倍）。
2）、1:10刀柄是通过锥面变形来实现两面定位的，当刀柄处于高速旋转时，变形、应力都会更加严重，从而使得可靠性下降。
（三）、7:24锥度刀柄和1:10锥度刀柄的对比
1、轴向变化对比
图10
从上图10可看出，在转速≤10000r/min时，7:24锥度刀柄与1:10锥度刀柄轴向变化差异不大；在转速≥10000r/min时，7:24锥度刀柄轴向变化量剧烈增大。
2、加工效果对比
图11
图12
如图11、图12所示，在加工条件相同的情况下，1:10锥度刀柄加工的表面质
量明显高于7:24锥度刀柄。
所以，我们在选择刀柄锥度时，如果使用到的最大转速≤10000r/min ，轴向精度要求不太高，表面质量要求不太高时，我们可以选择成本更低的7:24锥度刀柄，如BT 系列刀柄。相反，我们就选择1:10锥度刀柄，如HSK 系列刀柄。
二、刀柄与刃具连接方式
刀柄与刃具的连接必须在保证精度的前提下牢固可靠。连接方式有很多，常用的一般为以下几种刀柄。
（一）、侧固式刀柄
单侧固 双侧固 斜侧固
图13
侧固式刀柄，就是使用专用螺钉从侧面顶紧刃具，使刃具与
刀柄牢固连接，见图14。根据刃具的不同，又可分为单侧固，双
侧固，斜侧固，如图13。装夹直径25mm 以上刀具，建议使用双
侧固方式。侧固式刀柄的优缺点如下：
根据侧固式刀柄的特点，一般用于粗加工、转速不高的加工或
重切削加工等，如螺纹底孔的加工，粗钻加工等。
（二）
、弹簧夹套式刀柄
图15 图16 弹簧夹套刀柄是通过旋紧螺母，使用弹簧夹套压紧刃具的连接方式，见图15、侧固式刀柄的优点：
1、装夹方便；
2、传递扭矩大；
3、使用内冷无需附件。 侧固式刀柄的缺点： 1、装夹精度不高； 2、刀柄动平衡不好； 3、通用性不好。 图14