机床主轴与刀具夹头的圆锥联接

冰中的承诺

在绝大多数情况下，切削刀具都是利用刀具夹头安装在机床主轴上，即由夹头在各种刀具几何形状与通用的主轴端部之间充当接口。不过，也有一些刀具可以直接连接到主轴上（如通过螺栓连接），但这种情况并不多见。

刀具夹头既能适配不同的刀柄形状，又能使刀具精确定位，还能保持和传递扭矩、推力和弯曲力。刀具夹头（有时也称为适配接头）必须能实现与主轴的高刚性、高重复性联接。显而易见，由于圆锥形具有旋转对称性和自定心性，因此是联接界面的不二之选。也就是说，即使刀具夹头插入主轴端部时略有偏斜，夹头与端部的圆锥面接触也能产生可使夹头对正和定心的作用力。圆锥型刀具夹头通常由钢制成，并进行了表面淬硬处理，因此其外表面硬度很高，而材料芯部则具有很好的韧性。

圆锥型刀具夹头有两种基本类型：自锁型和自由松开型。自锁型夹头的圆锥倾角较小（即圆锥看起来更尖）。这种夹头有时也称为“浅锥夹头”。夹头插入主轴锥孔后，摩擦力及其他作用力足以使夹头保持在主轴上，并有效地传递力和扭矩。

为了将夹头从主轴上敲落下来，通常需要使用专门的工具。莫氏锥度是最常用的自锁型锥度之一。这种锥度的夹头以每英尺轴向长度上直径减小0.625英寸（15.875mm）的比率逐渐变细，其端部通常有一个柄脚，以便用一个薄楔子（称为退套楔）将夹头从主轴上敲落下来。退套楔通过主轴侧面上的一个孔来推动。其他自锁型锥度几何型式还包括Jacobs锥度和Brown & Sharpe锥度。

随着自动换刀机械手的日益普及（尤其在数控加工中），手动敲落夹头的方式变得繁琐不便。因此，操作者更愿意使用不会自锁在主轴中的自由松开型夹头。这种夹头的圆锥以每英尺轴向长度直径减小3.5英寸（88.9mm）的比率逐渐变细，通常称为7/24锥度（即每24英寸轴向长度直径减小7英寸）或大锥度。

许多标准夹头（如CAT、ISO和BT夹头）都采用7/24锥度，但夹头的其他结构（如法兰和拉钉）则各不相同。这种圆锥的标准尺寸规格（如30、40、50和60）都具有相同的锥角，但在沿圆锥长度的不同部位，30规格的截面较小，而60规格的截面较大。

虽然主轴端部的内锥面与刀具夹头的外锥面理论上可以实现完美配合，但显而易见，无论是主轴还是夹头，都不可能制造得完美无瑕。许多联接特性（包括自锁能力、刚度、阻尼、精度和可重复性）都取决于锥体的制造精度。有两项标准（ANSI/ASME B5.50-1994和ISO 1947）规定了7/24大锥度联接的公差等级（从最严苛的AT1级到最宽松的AT11级）。

下图中，黑线表示刀具夹头与主轴端部的理想配合状态；红色部分表示主轴端部内腔的容许误差；绿色部分表示刀具夹头体的容许误差。公差的分布可确保夹头与主轴在基准线附近接触，且配合公差允许在夹头尾部靠近定位钮处有一定间隙。


图  刀具夹头与主轴端部的配合

AT配合等级规定了加工好的圆锥几何体必须满足的配合区间。这些等级之间并非呈线性关系，随着AT级数的减小，要达到配合要求将变得越来越困难。大多数机床主轴的锥度公差等级为AT2级（或更好），而大多数刀具夹头的锥度公差等级为AT3级（或更好）。

主轴与夹头的联接性能在很大程度上取决于配合等级和表面质量。将刀具夹头当作精密部件来精心维护至关重要。大多数高性能夹头的表面都是精磨而成，如果任由表面生锈或发生其他损伤，将会影响其使用性能。

对于尺寸公差要求严苛的刀具夹头，一些简单的原因（如定位钮拧得太紧）也可能会导致夹头尾部胀大，从而改变配合等级，并使夹头与主轴的接触部位从端部向尾部移动。端部接触面积减小会大大降低联接刚度，并可能损坏夹头和主轴。因此，应按照制造商的要求，用扭矩扳手或扭矩夹具来正确拧紧定位钮。

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，还是机械主轴好