全能型短锥模块工具系统分析_刀具应用_切削技术_文章

1 问题的提出

随着工具系统的逐步更新换代及对机械环境的要求，当前国际上正风行全能型短锥模块式工具系统。该系统以较高的定位精度、可靠的平衡性能及良好的刚性和韧性而占领了模块化工具系统的制高点，大有取代7:24锥柄之势。因7:24锥柄完全靠锥面定位，且体积大、转速低、重复换刀时间长，已远远不能适应高精产品的加工。目前，国际上许多工具厂家推出了全能型短锥模块式工具系统：1987年美国Kennametal及德国Widia公司联合研制了“1:10短锥KM模块工具系统”，并首次提出了端面及锥度双定位原理。随后瑞典Sandvik公司又提出了“三棱圆短锥CAPTO工具系统”，而德国又于1993年正式颁布了DIN69893标准，即HSK工具柄标准，它与KM系统基本相似。几种系统相得益彰，在工具行业掀起一股热浪。

2 工作原理

KM、HSK及CAPTO系统都分为手动和机动两种，用双重配合定位原则，即在足够的拉紧力作用下，短圆锥柄产生一定的弹性变形而与锥面过盈配合，实现锥肩端面与锥面双定位，因二者的结构不同，其工作原理也不同。

(a)接钉从后面紧固 (b)端面紧固 (c)拉杆操纵膨胀套紧固

图1 CAPTO夹紧系统

CAPTO系统

如图1,夹紧有三种方式，第一种方法适用于在加工中心上使用的转动型刀具，用一个中心拉钉在后面紧固切削头部模块见图1(a)；第二种方法从端面紧固切削头部模块见图(1b)；第三种方法是采用拉杆将一个膨胀套压入刀具的内槽中，形成牢固连接，适用于车削加工和用于车床上的转动型刀具见图(1c)。

(a)钢球锁紧机构 (b)卡簧锁紧机构

图2 KM、HSK夹紧系统

KM、HSK系统

如图2,第一种KM结构，夹紧单元采用带锁紧的滚球滚道系统。通过旋转转矩螺钉拉杆沿径向移动，将滚球顶进切削单元滚道中，滚道带35°锥体，钢球沿锥体带动切削单元向夹紧单元移动，通过挤压下的压配合，达到双定位如图2(a)。第二种HSK结构，采用卡簧机构，旋转拉钉，利用导向套的移动引起卡簧的变形来实现双定位如图2(b)。

机动锁紧即无需使用扳手，全自动快换工具系统具有刀具存储的处理能力，通过激活机床控制系统的信号，即可实现刀具的快换。

3 特点

相同点

采用小锥度传统的7:24锥柄锥度大于短锥的锥度，小锥度的锥柄易于加工，且其定位性能好。

采用双定位

图3 双定位

从理论上讲，只有实现无间隙配合才能达到高的定位精度，而1:10短锥系统正是采用了这个原理。在足够的拉紧力作用下，利用锥度的弹性变形产生过盈配合，实现端面和锥面双定位，因此它的精度高，连接刚性好(见图3)。

重复定位精度高

它是一种高精度中心线性系统，其径向、轴向的重复定位精度可达到±0.0025mm

3.1.4 换刀时间短

根据实际测量，该系统的换刀时间仅为30s。

刀具管理系统化

鉴于该系统体积小、重量轻，便于快换，适用于大型加工中心，刀具可进行系统化管理，统一对刀、检测。

平衡性能稳定

短锥的设计原理力求稳定的动态平衡，即接近高转速和精度时，系统的平衡性能不变。

内冷却系统

内冷却机构的切削单元或带内冷却单元的镗刀可极大地的提高刀具的寿命。

夹紧力大、锁紧力矩小

与一般的锥度定位相比，其锁紧力是常规的5～7倍，而锁紧力矩25号柄为2.5～3.5N·m,产生径向压力2.8kN;100号柄的锁紧力矩为181.6～242.7N·m,产生径向压力43.9kN。

不同点

图4 轴向及径向力分布

传递扭矩方式不同

CAPTO系统用三棱圆锥连接结构传递扭矩，实现无滑动地传递扭矩和力(见图4)。与旋转方向无关，且不产生自锁现象。由于三棱圆的特殊形状，使作用在连接面上的力对称而均匀地分布，且接触面较大，不会产生应力峰值现象。振动变形小，因其表面压力较低，磨损也显著减少。而KM、HSK采用钢球或卡簧夹紧，利用钢球传递扭矩，滑动传递扭矩和力，对旋转方向有选择性(见图2)。

结构繁简不一

CAPTO系统采用三棱圆传递扭矩，而不需任何球、键或销等部件，其结构简单；而KM、HSK采用钢球配以滑动轨道锁紧并传递扭矩，结构涉及的零部件较多，相对来讲比较复杂。

加工难度不同

CAPTO结构中的三棱圆及与之配套的三棱孔、检测设备等都很难加工，因三棱圆是一条与以无限值生成的一条次(余)摆线相平行的处于有限值内的曲线(见图5)。目前我国的大多数厂家尚不具备加工能力，国外的厂家也必需使用专用设备来生产。