高速机床主轴刀具联结的设计

高速加工具有比普通加工大 5～10 倍的切削速度，其优点是能减少加工时间，达到普通加

工需要几道工序才能达到的加工精度和表面质量。与高速切削有关的主要问题有：刀具材

料及设计、高速机床主轴的动平衡、机床的热态动态性能及可靠性等。而刀具与主轴的联结
问题会严重影响高速切削的可靠性及机床主轴的动平衡，已成为限制高速切削的薄弱环节

之一。
   
    一、高速切削对刀/轴联结要求
    高速加工要求确保高速下主轴与刀具联结状态不能发生变化。但是，高速主轴的前端锥
孔由于离心力的作用会膨胀，膨胀量的大小随着旋转半径与转速的增大而增大，标准的
7/24 实心刀柄膨胀量较小，因此标准锥度联结的刚度会下降，在拉杆拉力的作用下，刀具
的轴向位置会发生改变(见图 1)。主轴的膨胀还会引起刀具及夹紧机构质心的偏离，从而影
响主轴的动平衡。要保证这种联结在高速下仍有可靠的接触，需有一个很大的过盈量来抵
消高速旋转时主轴轴端的膨胀，如标准 40 号锥需初始过盈量为 15～20μm，再加上消除锥
度配合公差带的过盈量(AT4 级锥度公差带达 13μm)，因此这个过盈量很大。这样大的过盈
量需拉杆产生很大的拉力，拉杆产生这样大的拉力一般很难实现，对换刀也非常不利，还
会使主轴端部膨胀，对主轴前轴承有不良影响。

                         图 1　在高速离心力作用下主轴扩张图
    高速加工对动平衡要求非常高，不仅要求主轴组件需精密动平衡(G0.4 级以上)，而且刀
具及装夹机构也需精密动平衡。但是，传递转矩的键和键槽很容易破坏动平衡，而且，标
准的 7/24 锥柄较长，很难实现全长无间隙配合，一般只要求配合面前段 70%以上接触，因
此配合面后段会有一定的间隙，该间隙会引起刀具径向跳动，影响结构的动平衡。键是用
来传递转矩和进行角向定位的，为解决键及键槽引起的动平衡问题，可以尝试研究一种刀
/轴联结实现在配合处产生很大的摩擦力以传递转矩，并用在刀柄上作标记的方法实现安

 

装的角向定位，达到取消键的目的。
    二、标准 7/24 锥联结的优缺点
    标准的 7/24 锥联结有许多优点：因不自锁，可实现快速装卸刀具；刀柄的锥体在拉杆
轴向拉力的作用下，紧紧地与主轴的内锥面接触，实心的锥体直接在主轴内锥孔内支承刀
具，可以减小刀具的悬伸量；这种联结只有一个尺寸即锥角需加工到很高的精度，所以成
本较低而且可靠，多年来应用非常广泛。
    但是，7/24 联结也有一些缺点；锥度较大，锥柄较长，锥体表面同时要起两个重要的作
用，即刀具相对于主轴的精确定位及实现刀具夹紧并提供足够的联结刚度。由于它不能实
现与主轴端面和内锥面同时定位，所以标准的 7/24 刀/轴锥联结在主轴端面和刀柄法兰端
面间有较大的间隙。在 ISO 标准规定 7/24

“ ”

锥度配合中，主轴内锥孔的角度偏差为 － ，刀

“ ”

柄锥体的角度偏差为 ＋ ，以保证配合的前段接触，所以它的径向定位精度往往不够，在
配合的后段还会产生间隙，如典型的 AT4 级(ISO1947，GB11334-89)锥度规定角度的公差
值为 13″，这就意味着配合后段的最大径向间隙高达 13μm，这个径向间隙会导致刀尖的跳