木工銑刀裝夾技術(shù)與方法

曹平祥 郭曉磊

（南京林業(yè)大學(xué)木材工業(yè)學(xué)院，南京 210037）

1 概述
隨著木工刀具相關(guān)聯(lián)的技術(shù)裝備和工件材料的發(fā)展，對(duì)木工刀具的要求也越來(lái)越高，具體表現(xiàn)為：（1）刀具制造精度高；（2）刀具裝夾迅速；（3）安裝及定位精度高；（4）刀具耐用度長(zhǎng)；（5）切削方式優(yōu)化；（6）刀具工位的分配合理；（7）噪聲低；（8）排屑效果好。在滿足刀具制造精度的前提下，刀具裝夾技術(shù)與方法直接影響設(shè)備操作性、使用效率、運(yùn)行安全、切削精度和工件表面粗糙度。因此，刀具裝夾是設(shè)備與刀具設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中必須考慮的重要環(huán)節(jié)。總體而言，木工刀具裝夾方法與技術(shù)必須滿足以下要求：1）裝夾牢固，安全可靠；2）安裝及拆卸方便快捷；3）裝夾精度高；4）定位及重復(fù)定位精度高；5）使用壽命長(zhǎng)。
鑒于木工刀具結(jié)構(gòu)類型多，裝夾技術(shù)與方法也很多。按刀具類型分為:（1）套裝銑刀裝夾；（2） 柄銑刀裝夾；（3）鉆頭裝夾；（4）圓鋸片裝夾。按施力方法分為：（1）螺母/螺釘；（2）液壓；（3）熱變形裝夾；（4）三點(diǎn)機(jī)械變形裝夾。按裝夾結(jié)構(gòu)類型分為:（1）螺母裝夾；（2）液壓軸套裝夾；（3）專用軸套裝夾；（4）卡套裝夾。
鑒于篇幅要求，筆者對(duì)套裝銑刀和柄銑刀的主要裝夾技術(shù)與方法進(jìn)行介紹。
2 套裝銑刀裝夾
套裝銑刀是刀體中心具有安裝孔，通過(guò)螺釘、螺母或軸套等附件裝夾在刀軸上的銑刀。
2.1 螺母裝夾
螺母裝夾，如圖1所示，主要用于單軸銑床、四面刨床等木工機(jī)械上。刀具5通過(guò)螺母1、墊圈2和軸套3安裝在刀軸4上，在高速回轉(zhuǎn)過(guò)程中切削工件6。刀軸4的軸端有螺紋M33×1.5及止動(dòng)端，專用套筒扳手兩內(nèi)孔與之配合，實(shí)現(xiàn)刀具的裝拆。根據(jù)刀具旋轉(zhuǎn)方向，軸端螺紋有左右之分，螺紋旋向與刀具旋轉(zhuǎn)方向相反。當(dāng)?shù)毒咝�轉(zhuǎn)方向需要與刀軸的軸端螺紋一致時(shí)，需要采用專用的防松螺母1及墊圈2。
刀軸與刀具內(nèi)孔的配合通常采用： 。存在一定的配合間隙，不能保證刀具內(nèi)孔中心線與刀軸中心線一致，刀具所有刀齒不在同一切削圓上，工件表面的運(yùn)動(dòng)波紋長(zhǎng)度不是每齒進(jìn)給量，而是每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。在這種情形下，刀具的齒數(shù)，與工件表面的運(yùn)動(dòng)波紋長(zhǎng)度沒(méi)有關(guān)系。因此，螺母裝夾只能用于進(jìn)給速度低的機(jī)床上，進(jìn)給速度一般不得超過(guò)30m/min。
2.2 液壓夾緊
液壓夾緊套的內(nèi)部有一空腔，充滿了液壓油或油脂。施壓時(shí)，液壓軸套內(nèi)壁膨脹，均勻地包緊刀軸，完全消除了刀具和刀軸的配合間隙，保證了刀具回轉(zhuǎn)中心和刀具旋轉(zhuǎn)軸線一致，減小了刀齒的徑向跳動(dòng)，保證所有刀齒均衡參加切削。液壓夾緊軸套具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1) 減小刀具振動(dòng)，降低軸承磨損，延長(zhǎng)軸承使用壽命；
2) 降低切削平面木材的破壞不平度和運(yùn)動(dòng)波紋，提高了工件表面的加工質(zhì)量;
3) 延長(zhǎng)了刀具的使用壽命；
4) 刀具裝卸方便，縮短換刀和停機(jī)時(shí)間；
5) 夾緊精度的重復(fù)性很高，安全可靠。
液壓夾緊軸套需要應(yīng)用在不同類型設(shè)備的刀軸上，用來(lái)裝夾不同結(jié)構(gòu)的刀具，具有不同結(jié)構(gòu)的液壓夾緊軸套。根據(jù)施壓介質(zhì)，液壓夾緊軸套分為開放式的和封閉式的。根據(jù)裝刀數(shù)量，液壓夾緊軸套分為單片刀、雙片刀和三片刀方式。根據(jù)施壓螺釘?shù)奈恢茫�液壓夾緊軸套分為側(cè)向加壓和軸向加壓。開放式液壓夾緊軸套采用油脂施壓；封閉式液壓夾緊套采用液壓油施壓。當(dāng)加工單面截形的工件時(shí)，一片刀就能完成工件廓形的切削，應(yīng)采用單片刀的液壓夾緊軸套；當(dāng)加工雙面截形的工件時(shí)，需要采用兩片或兩片以上的組合刀具，使用雙片刀的或三片刀的液壓夾緊軸套。組合刀具安裝在一個(gè)液壓夾緊軸套上，應(yīng)滿足刀具在重磨之后能方便調(diào)節(jié)各片刀具之間軸向距離的需要，以保證工件的廓形不變。 

圖 3 組合銑刀專用軸套裝夾

圖2所示的為液壓裝夾的兩片組合銑刀，它由液壓軸套4、刀具8、固定螺釘5、施壓螺釘6、銷釘10、碟形彈簧11、擋塊13、羅盤14和鎖緊螺釘15等零件組成，通過(guò)壓緊端蓋1和內(nèi)六角螺釘2安裝在刀軸3上。通過(guò)扳手7，松開鎖緊螺釘6和15，就能轉(zhuǎn)動(dòng)羅盤14，擋塊13帶動(dòng)刀具上、下移動(dòng)，達(dá)到調(diào)節(jié)兩片刀具之間軸向距離的目的。刀具調(diào)節(jié)完畢之后，擰緊施壓螺釘6，軸套4的內(nèi)腔12變形膨脹，消除了刀軸與液壓軸套內(nèi)孔的配合間隙。當(dāng)設(shè)備進(jìn)給速度大于30m/min，應(yīng)該采用液壓夾緊軸套。
2.3 專用軸套裝夾 
設(shè)備刀軸結(jié)構(gòu)形式多種多樣，簡(jiǎn)單的刀軸，如單軸立銑的刀軸，銑刀可以采用螺母裝夾；結(jié)構(gòu)復(fù)雜的刀軸，如實(shí)木窗CNC加工中心的刀軸，銑刀需要借助專用軸套實(shí)現(xiàn)裝夾。
2.3.1 組合銑刀專用軸套
組合銑刀專用軸套主要用于高精度軸向定位的組合銑刀，如圖3所示的實(shí)木窗組合銑刀，相鄰兩片銑刀采用墊片3調(diào)節(jié)。軸套1及刀體5上加工定位孔，通過(guò)螺釘7及端蓋4將數(shù)片銑刀固定在軸套1上，軸套1與銑刀5、6組為一體。軸套端部分別有鍵槽及平鍵2，相互配合。軸套下端面為刀具安裝基準(zhǔn)，與工件下表面之間的距離不變，通常為10mm。在實(shí)木窗CNC加工中心上，一根刀軸上需要安裝4～8套組合銑刀，組合銑刀上、下位置精確定位十分重要。為了滿足這個(gè)要求，實(shí)木窗刀具專用軸套裝夾高度不變，通常為80mm（軸套下端面與平鍵2上表面的距離）。 
2.3.2 劃線鋸專用軸套
該專用軸套用于雙端銑下水平馬達(dá)刀軸上，裝夾高精度定位的劃線鋸，如圖4所示，劃線鋸轉(zhuǎn)速為3000r/min。
劃線鋸7通過(guò)螺釘6（6×M6）固定在專用軸套5上，專用軸套5通過(guò)端蓋2、嵌套1和內(nèi)六角螺釘3（雙螺紋M16，M12）裝夾在馬達(dá)刀軸4上。刀軸4與專用軸套5的配合為φ30H7/g6，刀軸直徑為φ30g6mm，鍵為8×7，軸套的孔徑為φ30H7。劃線鋸內(nèi)孔直徑為φ65H7mm, 與劃線鋸內(nèi)孔配合軸的直徑為φ65g6mm。

當(dāng)劃線鋸磨損變鈍之后需要刃磨時(shí)，只需要拆卸6只螺釘6，劃線鋸7便可從專用軸套5上卸下。專用軸套可以反復(fù)使用，一旦劃線鋸報(bào)廢，僅需要將新的劃線鋸安裝在專用軸套上便可。
由于采用雙螺紋螺釘?shù)妮S端固定方式，因此，可以根據(jù)需要在軸套上裝夾順鋸或逆鋸的劃線鋸。
2.3.3 粉碎鋸專用軸套
用于高精度定位的劃線鋸，如雙端銑上水平刀軸。轉(zhuǎn)速為3000r/min。
刀軸與軸套的配合為φ35H7/g6，刀軸直徑為φ35g6，鍵為10×8，軸套的孔徑為φ35H7。
劃線鋸?fù)ㄟ^(guò)螺釘固定在專用軸套上，螺釘為8×M8, 螺釘孔中心圓直徑φ100mm。軸套可以反復(fù)使用。
粉碎刀內(nèi)孔直徑為φ80H7, 與粉碎刀內(nèi)孔配合軸的直徑為φ80g6。
刀具通過(guò)內(nèi)六角螺釘、壓緊端蓋及專用墊圈固定在刀軸上, 內(nèi)六角螺釘為雙螺紋 (M20，M16)。 
該專用軸套用于雙端銑上水平馬達(dá)刀軸上，裝夾高精度定位的粉碎刀，如圖5所示，粉碎刀轉(zhuǎn)速為3000r/min或6000r/min。

粉碎刀6、7、8通過(guò)螺釘5（8×M8）固定在專用軸套9上，專用軸套9通過(guò)端蓋4和內(nèi)六角螺釘3(雙螺紋M16，M20)裝夾在馬達(dá)刀軸2上。刀軸2與專用軸套9的配合為φ35H7/g6，刀軸直徑為φ35g6，鍵為10×8，軸套的孔徑為φ35H7。粉碎刀內(nèi)孔直徑為φ80H7, 與粉碎刀內(nèi)孔配合軸的直徑為φ80g6。
當(dāng)粉碎刀磨損變鈍之后需要刃磨時(shí)，只需要拆卸8只螺釘5，粉碎刀6、7、8便可從專用軸套9上卸下。專用軸套可以反復(fù)使用，一旦粉碎刀報(bào)廢，僅需要將新的粉碎刀安裝在專用軸套上便可。
由于采用雙螺紋螺釘?shù)妮S端固定方式，因此，可以根據(jù)需要在軸套上裝夾順鋸或逆鋸的粉碎刀。
2.4 HSK套裝銑刀裝夾
HSK裝夾卡套是德國(guó)阿亨（Ächen）工業(yè)大學(xué)機(jī)床研究所在20世紀(jì)90年代初開發(fā)的一種雙面刀具裝夾技術(shù)。HSK卡套已于1996年列入德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)，并于2001年12月成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO12164，主要應(yīng)用于CNC加工中心的柄銑刀裝夾，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。為了滿足套裝銑刀自動(dòng)換刀要求，近幾年來(lái)HSK裝夾技術(shù)開始應(yīng)用于高速四面刨、雙端銑等木工機(jī)械上，圖6所示的是直接裝夾馬達(dá)刀軸HSK F63裝夾的套裝銑刀。

HSK錐形裝夾是通過(guò)卡套的錐形內(nèi)孔及與之配合的錐形刀軸，在夾緊力的作用下，其端面和錐面同時(shí)被夾緊的裝夾技術(shù)，如圖7所示。HSK字母含義如下： H——中空（Hollow/Hohl)；S—— 軸(Shaft/Schaft)；K——錐形(Cone/Kegel)，錐度為1：10
HSK中空錐形卡套有A、C、E、B、D和F結(jié)構(gòu)類型，木工刀具采用HSK F 63系列，63表示錐面最大直徑為63mm。
HSK中空錐形卡套得工作原理是：拉桿在外力作用下移動(dòng)，使得夾爪張開嵌入HSK卡套內(nèi)孔，帶動(dòng)HSK卡套一起朝主軸移動(dòng)，直到主軸和HSK卡套的錐面、端面同時(shí)接觸和夾緊為止。換刀時(shí)，拉桿在外力作用下反方向移動(dòng)，夾爪松開，主軸與卡套便可分離。

HSK卡套具有下列特點(diǎn)： 
1）有效地提高了銑刀與機(jī)床主軸的結(jié)合剛度。由于采用錐面、端面過(guò)定位的結(jié)合形式，使卡套與主軸的有效接觸面積增大，并從徑向和軸向進(jìn)行雙面定位，從而大大提高了刀柄與主軸的結(jié)合剛度。
2）具有較高的重復(fù)定位精度，并且自動(dòng)換刀動(dòng)作快，有利于實(shí)現(xiàn)ATC（automatic Tool Change）的高速化。
3）具有良好的高速鎖緊性。卡套與主軸間由彈性擴(kuò)張爪鎖緊，轉(zhuǎn)速越高，擴(kuò)張爪的離心力越大，鎖緊力越大，高速鎖緊性越好。

3 柄銑刀裝夾
柄銑刀除了切削部分和刀體部分之外，還有供裝夾用的柄部，主要用于鏤銑機(jī)和CNC加工中心。柄銑刀主要有以下裝夾方法：1）螺母、卡簧裝夾；2）液壓裝夾；
3）錐形卡套SK裝夾；4）中空錐形卡套HSK裝夾；5）熱變形裝夾；6）三點(diǎn)機(jī)械變形裝夾。
鏤銑機(jī)的柄銑刀主要采用螺母、卡簧裝夾，CNC加工中心的柄銑刀采用裝刀卡套（錐形卡套SK或中空錐形卡套HSK）裝夾。CNC加工中心卡套裝夾柄銑刀主要方法圖8所示。下面介紹幾種常用的柄銑刀裝夾方法。
3.1 錐形卡套SK裝夾
CNC加工中心的主軸錐孔分為兩大類: 錐度為7:24的SK系統(tǒng)和1:10的HSK系統(tǒng)。
錐度為7:24的通用卡套通常有五種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格，即NT（傳統(tǒng)型）、DIN 69871（德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）、IS0 7388/1 （國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)） 、MAS BT（日本標(biāo)準(zhǔn)）以及NSI/ASME（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）。錐形卡套SK是德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 69871的柄部代號(hào)。
SK卡套是靠卡套7:24錐面與機(jī)床主軸孔的7:24錐面接觸定位的，通過(guò)卡套尾部的螺釘將卡套拉緊連接的。因此，與HSK相比，存在動(dòng)態(tài)特性差、連接剛性低和重合精度低等不足。SK卡套分為SK30、SK40及SK50。
SK卡套組成由7:24錐面卡套、螺母、卡簧和尾部螺釘組成。螺母有左、右旋之分，方向與刀具旋轉(zhuǎn)方向相反�？ɑ蓛�(nèi)徑比刀具的柄部直徑大0.5mm，便于刀具裝入卡簧內(nèi)孔。擰緊螺母，卡簧變形，內(nèi)徑變小，夾緊柄銑刀。
對(duì)于直徑較大的柄銑刀，通常設(shè)計(jì)成兩部分：套裝銑刀與套裝刀柄。套裝銑刀通過(guò)端蓋及螺釘固定在套裝刀柄上，刀柄再安裝到SK錐形卡套上。
3.2 中空錐形卡套HSK裝夾
與SK卡套相比，HSK中空錐形卡套具有下列優(yōu)點(diǎn)：
1）可適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)，20000～40000r/min； 
2）端面與錐面始終同時(shí)定位，安裝剛性高； 
3）由于有輔助分離功能，即使在刀具熱膨脹時(shí)，
也能方便卸下；
4）定位精度高，徑向跳動(dòng)不超過(guò)5μm，軸向重復(fù)
定位精度高達(dá) 1μm。
中空錐形卡套HSK已廣泛應(yīng)用于各種帶刀庫(kù)的CNC加工中心上，圖10所示的刀具HSK F63 柄裝銑刀，銑刀3、5通過(guò)端蓋7及螺釘8固定在HSK F63卡套1上。
它HSK 卡套1

3.3 熱裝夾裝刀卡套
無(wú)論是SK還是HSK裝刀卡套，卡簧內(nèi)孔與柄銑刀柄部均存在間隙，螺母旋緊后，卡簧收縮變形，消除兩者之間的間隙。因此，SK、HSK的刀具裝夾精度取決于間隙消除的程度及均勻性。在實(shí)際操作過(guò)程中，很難完全保證裝刀卡套的回轉(zhuǎn)軸線與柄銑刀中心線一致。
熱裝夾裝刀HSK F63卡套不采用螺母及卡簧夾緊柄銑刀，而是利用熱脹冷縮的原理，在特殊的高頻加熱裝置加熱裝刀卡套,使內(nèi)壁溫度達(dá)240～270℃,外壁溫度達(dá)260～350℃，裝刀卡套內(nèi)孔直徑變大，柄銑刀柄部可方便地裝入卡套內(nèi)。冷卻后，卡套恢復(fù)原狀，卡套內(nèi)孔與柄銑刀柄部形成過(guò)盈配合，消除了間隙，保證裝刀卡套的回轉(zhuǎn)軸線與柄銑刀中心線完全一致。
3.4 壓力收縮裝刀卡套
壓力收縮裝刀HSK F63卡套也不采用螺母及卡簧夾緊柄銑刀，其技術(shù)核心是卡套內(nèi)孔不是圓柱體，而是三角圓柱體，如圖11所示。
在專用施壓裝置上加壓后，內(nèi)孔變成了圓柱體，柄銑刀邊部能順利裝入卡套，壓力釋放后，內(nèi)空恢復(fù)成三角圓柱體，緊緊夾持刀具，保證裝刀卡套的回轉(zhuǎn)軸線與柄銑刀中心線完全一致。

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