玩转四种典型工具系统,彻底搞定高速铣削

来源：《金属加工（冷加工）》2014年第24期，转载请注明出处。

　　摘要：工具系统是指机床主轴（或刀座）和刀具的联接系统，包括主轴（或刀座）、刀柄（以及刀柄上实现刀具刀柄联接的装置）和夹紧机构，而刀柄是机床和刀具的最后联接环节，对整个工具系统的性能有着重要的作用。本文对当今国内外使用较多并且比较有代表性的四种工具系统HSK、KM、BIG-plus和Capto进行了比较分析，介绍了它们的结构特点和应用场合，比较了其各自的优缺点，给出了各自的选用情况，为实际加工的选用提供了参考。

　　高速加工是集材料科学、工程力学、机械动力学和制造科学于一体的高新加工技术，在汽车制造、航空航天和机械加工等多个行业得到了越来越广泛的应用。据了解，高速加工中有40%来自高速铣削加工，而在高速铣削过程中，工具系统的性能将在很大程度上影响加工质量和加工效率。因此，高速铣削工具系统的研究与开发备受国内外机械工程专家和学者的关注。故本文分析了以下四种典型工具系统的特点，及其在高速铣削加工中的选用。

HSK工具系统特点及选用

1. HSK工具系统的特点

　　HSK工具系统如图1a所示，其结构特点是空心、薄壁和短锥，锥度为1∶ 10，使用由内向外的外胀式夹紧机构。在主轴中的定位为过定位，端面与锥面同时定位、夹紧，如图1b所示。夹紧时，由于锥部有过盈，所以锥面受压产生弹性变形，同时刀柄向主轴锥孔轴向移动，以消除初始间隙，实现端面之间的贴合，这样就实现了双面同步夹紧。

2. HSK工具系统的选用

　　在高速铣削加工中，根据加工要求正确、合理地选用HSK刀柄十分重要。HSK刀柄分为A、B、C、D、E和F六种型号，在选择HSK刀柄的型号和规格时，主要考虑的因素包括：主轴的最高转速、刀柄的结构特点和承载能力、刀具及配套件的普及程度等。

　　（ 1 ） 刀柄型号的选择。由HSK刀柄的结构特点可知，A、B型刀柄主要用于带有自动换刀装置机床的中高速加工；C、D型刀柄主要用于采用手动换刀的中高速加工；而E、F型刀柄由于是无任何槽和切口的对称结构，动平衡性较好，因此适用于超高速加工。

　　国内采用DIN6989b-1中的A型和C型标准，如HSK50A、HSK63A及HSK100A等。HSK50和HSK63刀柄的主轴转速可达25 000 r/min，HSK100刀柄可达12 000 r/min，精密平衡后的HSK刀柄的主轴转速最高可达40 000 r/min。但是随着转速增加，径向刚度将有所降低。

　　（2）刀柄规格的选择。选择HSK刀柄规格时，主要应考虑刀柄的承载能力（包括极限弯矩和极限扭矩），应根据实际加工时切削力产生的弯矩和扭矩对比刀柄的临界弯矩和扭矩值进行选择。金属加工微信，内容不错，值得关注。

　　在接近临界点时， 连接强度已经不够，尽管此时刀柄的法兰面与主轴端面还保持全面接触，但弯矩已接近使两者分离的临界值。这个临界弯矩的大小主要取决于拉紧力，因此加大拉紧力可以提高最大弯矩。这一点对悬伸较长的刀具具有特殊的意义，但是加大拉紧力会增加作用在刀柄夹紧斜面上的总载荷。这一点在使用高转速下尤其明显，这是由于在离心力的作用下，虽然内部夹爪所施加的夹紧力随之增加，致使夹紧的可靠性得以提高，但另一方面却使刀柄最薄的部位承受很大的载荷，导致刀柄损坏。可查阅相关手册来进行刀柄的具体选择， HSK刀柄的规格分布如表1所示。

　　HSK工具系统的6种规格及其应用场合如表2所示。

KM工具系统特点及选用

1. KM工具系统的特点

　　KM工具系统如图2所示，同样也是采用了1:10的空心短锥配合和双面定位方式。具有高刚度、高精度、快速装夹和维护简单等优点。其动刚度比HSK工具系统还高。KM刀柄使用钢球斜面锁紧，如图3所示，夹紧时钢球沿拉杆凹槽的斜面被推出，卡在刀柄上的锁紧孔斜面上，将刀柄向主轴孔拉紧，刀柄产生弹性变形使刀柄端面与主轴端面贴紧。

2. KM工具系统的选用

　　标准的KM刀柄有KM32 、KM40 、KM50 、KM63、 KM80和KM100六种型号。研究表明：相对于HSK工具系统，KM刀柄/主轴具有更大的径向过盈量，是HSK的2~5倍，其中KM刀柄的拉紧力与锁紧力明显大于HSK刀柄，而由于锁紧力较大，故刀柄/主轴的联接刚度较强，所以在BT工具系统、HSK工具系统和KM工具系统中，KM工具系统的性能最优。它们的结构及性能比较如表3所示。

表3 KM刀柄、HSK以及BT刀柄的比较

　　另外，KM工具系统本身支持带中心内部冷却的刀具，只要刀具和机床都具有中心内冷却通道，KM工具系统就提供使切削液顺利到达刀具切削区域的可能，从而为充分发挥刀具性能提供了进一步的保障。但是由于专利保护，KM工具系统仅在美国和日本的某些型号的机床上得到推广应用，国内使用的还不多。

BIG-plus工具系统的特点及选用

1. BIG-plus工具系统的特点

　　BIG-p l u s工具系统与现有的7:24刀柄锥度完全兼容，它将主轴端面与刀具法兰间的间隙量分配给主轴和刀柄各一半，分别加长主轴和加厚刀柄法兰的尺寸，实现主轴端面与刀具法兰的同时接触。如图4所示，图4a为结合BIG-plus工具系统的ISO7388/1刀柄，图4b为结合BIG-plus工具系统的MAS BT刀柄。

　　Big-plus工具系统的工作原理是将刀柄装入主轴时（锁紧前）端面的间隙小，锁紧后利用主轴内孔的弹性膨胀补偿间隙，装入刀柄时伴随主轴孔的扩张使刀具轴向移动，并使刀柄与主轴端面贴紧。

2. BIG-plus工具系统的选用

　　由于将刀柄装入主轴时（ 锁紧前）端面的间隙小（40号刀柄间隙为0.02mm±0.005 mm）。锁紧后利用主轴内孔的弹性膨胀补偿间隙，使刀柄与主轴端面贴紧，所以BIG-plus工具系统具有以下优点：

　　刀柄与主轴的接触面积增大使刚性增强，振动衰减效果提高。端面的矫正作用使自动换刀的重复精度提高，端面的定位作用使轴向尺寸稳定。

　　与BT锥柄相比，Big-plus锥柄对弯矩的承载能力因有一个加大的支撑直径而提高，从而增加了装夹稳定性。Big-plus工具系统的夹持刚性高，因此在高速加工中可减少刀柄的跳动，提高重复换刀精度。金属加工微信，内容不错，值得关注。

　　但Big-plus刀柄由于过定位安装，必须严格控制锥面基准线与法兰端面的轴向位置精度，与之相应的主轴也必须控制这一轴向精度，使其制造工艺难度大，这一点甚至比HSK刀柄要求还要高。BT刀柄与Big-plus刀柄对比如图5所示。

Coromant Capto工具系统的特点及选用

1. Coromant Capto工具系统的特点

　　Coromant Capto工具系统如图6所示，该工具系统采用弧面的三棱锥定心，采用从三棱锥内部拉紧，使端面紧密贴合的夹紧方式。

　　其接口类似一个三棱锥面。由于双面接触并采用过盈配合，法兰端面经过磨削以及磨削的三棱锥面使其具有良好的稳定性。三棱锥面接口采用预紧方式，进行了高精度磨削。金属加工微信，内容不错，值得关注。

　　采用了多面体结构的Capto工具系统具有如下特点： 该结构取消了传动键槽结构，扭矩传递靠多面体实现，因此不会有传动键应力集中问题，并且消除了由于键和键槽引起的动平衡问题。另外，由于没有传动键，切削扭矩呈均匀分布，从而提高了扭转刚性，Capto工具系统的3个传递扭矩面如图7所示。

　　至于因单纯弯曲引起的偏斜比较，Capto工具系统表现出了其优越性能。Capto工具系统的锥形更长，锥角更小，材料更多并且夹紧力更大，因而能产生更高的抗弯刚度。

2. Coromant Capto工具系统的选用

　　Coromant Capto创新技术具有以下三点主要意义：是在车床上快速更换切削单元的基础；是在机床主轴上内置旋转接口的依据；也是进行刀具优化以适合各种应用场合的绝佳方法。

　　这种工具系统可用于车削，也可用于镗、铣加工，是一种万能型的工具系统。其四瓣式的抓刀凹槽用于自动换刀以及当刀具需要角向定位时所需的定位槽，例如一些车削应用。切削液从内部供应，切削液通过主轴直达切削刃口，采用高压冷却加工也是一种选择，同时，采用Coromant Capto接口的主轴用于旋转刀具也是一个非常重要的特点。由于该类型接口性能较好，越来越多的机床厂商将其作为机床接口的标准选择。目前，Capto已形成国际标准（ISO 26623），然而Capto 工具系统的三棱锥特别是主轴三棱锥孔加工困难，因此加工成本高且与现有工具系统不兼容，配合会自锁。

　　以上四种工具系统结构比较如表4所示。

结语

　　本文针对当前高速铣削中使用较多的四种工具系统的结构特点和工作原理，介绍了这四种工具系统的选取要求和适用场合，其中HSK工具系统主要从主轴的最高转速、刀柄的结构特点和承载能力、刀具及配套件的普及程度等来选取HSK工具系统的型号和规格，其使用范围非常广泛；由于KM工具系统的拉紧力与锁紧力更大，所以KM工具系统的性能更优，但是由于专利保护，KM工具系统仅在美国和日本的某些型号的机床上得到推广应用，国内使用的还不多，目前KM工具系统主要应用于Mori Seiki、Okuma、Daewoo mazak和Tsugami等品牌的机床上；BIG-plus工具系统的特点是与现有的7:24刀柄锥度完全兼容，不会增加额外的刀具成本，已获得德国专利，并且德国和瑞士的许多刀具厂家已得到生产许可；Capto工具系统采用了多面体结构，能产生更高的抗弯刚度，这种工具系统可用于高速铣削，也可用于镗削、车削加工，是一种万能型的工具系统。

　　实际上，工具系统通常随机床作为附件一起购买，并能使用很长一段时间，它是随机床一起折旧的，也就是说它是一次性投资。研究表明，工具系统的花费还占不到总加工成本的0.45%。因此，通过削减工具系统的成本来达到降低加工成本是不值得的，选取高品质的工具系统在切削中会达到事半功倍的效果。

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