摘要:高速、高效、高精度的数控机床除了对刀具有相应的要求外，对刀具夹持系统也有很高的要求。文章分析、介绍了适用于这种机床的静压膨胀式刀具夹头和应力锁紧式刀具夹持器的工作原理、性能特点和使用要求。

近年来，数控机床朝着“高速、高效、高精度”的方向发展，国产加工中心的主轴转速一般为8000～12000r/min，国外加工中心的主轴转速一般为10000～18000r/min，德国、瑞士等国新推出的高速加工中心或高速铣床的主轴最高转速一般在10000～60000r/min，同时，主轴具有很高的回转精度，其径向跳动一般不超过2µm。这样，人们除了要求刀具符合高速机床的要求之外，对刀具夹持系统也提出了很高的要求，具体表现在夹持回转精度、动平衡性能以及动力学性能等各个方面。从而使新型精密刀具夹持技术应运而生，得以快速发展，开发出了多种新型刀具夹持系统。下面将分析、介绍德国雄克(Schunk)公司生产的两种新型精密刀具夹持系统。

1 静压膨胀式刀具夹头

1.加压螺栓 2.油腔 3.夹持孔
图1 静压膨胀式刀具夹头的结构原理图科太克表1 雄克公司静压膨胀式刀具夹头直接夹紧所能传递的扭矩刀具被夹部直径(mm)681012141618202532传递的扭矩(N·m)814354573112175280350450注:表中数据是在大量实测数据的基础上，考虑了一定的安全系数后给出的。被测刀具的刀杆为光滑圆柱体，精度等级h6，其被夹部长度满足DIN6535和DIN1835标准。测试时的工作温度20～25℃。

工作原理
图1为静压膨胀式刀具夹头(又称液压夹头)的结构原理图。该夹头的特点是采用了静压膨胀结构:在夹头主体与夹紧孔内壁之间做了环形封闭油腔，油腔内充满了专用液压油，夹紧孔内壁具有很好的弹性。当拧紧加压螺栓1时，油腔内压力升高，使密闭的油腔的每个部分都受到均匀的压力，从而将有弹性的夹紧孔内壁收缩而夹紧刀具：当松开加压螺栓1时，油腔内油压回落，夹紧孔内壁在弹性回复力的作用下回复到原始直径而松开刀具。
静压膨胀结构不但可以做成夹紧刀杆外圆的夹头，也可以做成芯轴胀紧内孔，用于夹持滚刀等，还可以做成同时夹紧外圆和胀紧内孔的复合刀具夹头。
性能特点
静压膨胀式刀具夹头具有优良的技术性能:夹持回转精度<3µm：重复夹紧精度<2µm：稳定可靠的夹紧力：能够传递很大的扭矩(表1)；极优的阻尼减振性能：夹紧系统具有全封闭结构，无磨损，经久耐用：能够有效地提高切削加工的精度和加工表面质量：可以显著改善刀具在切削加工中的受力状态，成倍提高刀具使用寿命。
生产静压膨胀式刀具夹头需要经过精确的理论计算、优良的热处理和精密的制造过程。为了适应高速切削的要求，还要进行动平衡检测和调试。动平衡一般是按照德国工业应用研究组织AIF推荐的动平衡指标:
SK40，SK50 G6.3/15000r/minHSK-A32-63G6.3/15000r/minHSK-A80-100G6.3/12000r/minHSK-C32-63G6.3/15000r/minHSK-C80-100G6.3/12000r/minHSK-E32-63G6.3/30000r/min
如果有更高的转速要求，经过更精细的动平衡，可以使静压膨胀式刀具夹头适用于50000r/min的工作转速。在德国达姆施塔特生产技术和切削机床研究所进行的测试中，雄克公司的静压膨胀式刀具夹头在105r/min的转速下仍能保持良好的力学性能。
使用要求
静压膨胀式刀具夹头的使用要求是:当被夹刀具的外径为6～8mm时，要求刀杆的精度等级为h6：当刀具外径大于8mm时，刀杆的精度等级可以放宽到h7。同时，要保证刀杆被夹持的最小长度，例如Ø20mm的刀具的最小夹持长度为42.5mm，实际使用时只要将刀具在刀柄孔中插到底即可。刀杆型式必须符合DIN1835的A型(光滑圆柱刀杆)和AB型(中部铣有平面的圆柱刀杆)，其它型式的刀杆要加中间过渡套才能使用。刀具夹头的最佳工作温度为20～50℃，当实际工作温度超过50℃时，生产企业要对刀具夹头做特殊处理。

2 应力锁紧式刀具夹持器

(a)
(b)
(c)
(d)图2 TRIBOS刀具夹持器的工作原理图科太克
图3 TRIBOS-R刀具夹持器的结构示意图科太克表2 TRIBOS-S刀具夹持器能传递的最小扭矩夹持直径(mm)68101214161820传递的最小扭矩(N·m)51320305580100200注:表中数据是考虑了一定的安全系数后给出的，被测刀具的刀杆精度等级h6。

工作原理
应力锁紧式刀具夹持器以TRIBOS命名，它是德国雄克公司的专利产品，它的工作原理如图2所示，其夹持孔具有特殊的几何形状(图2a)，在原始状态下，刀具无法插入夹持孔内。安装刀具时，使用专用加载器对夹持段从外部加压，将夹持孔压成圆孔(图2b)，此时可以将刀杆顺利地插入夹持孔内(图2c)，然后松开加载器，撤掉外部载荷，夹持孔将试图回复到原始状态，于是刀杆就被强大的弹性回复力夹紧(图2d)。同样，使用加载器可以方便地取出或更换刀具。
性能特点
TRIBOS刀具夹持器有两种类型，分别为TRIBOS-S和TRIBOS-R。TRIBOS-S刀具夹持器如图2所示，它的夹持段外径很细小，可以做成刀具加长杆，用于需要加长刀具的场合，例如深型腔模具的加工：也可以直接做成刀具夹头，用于会发生几何干涉的零件特殊部位的加工。由于它的外径很细，刚性相对较差，所以只能用于轻切削加工。为了提高TRIBOS刀具夹持器的刚性，又开发了TRIBOS-R刀具夹持器。与TRIBOS-S相比，TRIBOS-R加大了夹持段的外径，设计了减振的特殊的空腔结构(空腔中注满了热固性塑料)，如图3所示，使刀具夹持器的刚性和夹持力都得到很大的提高，可以用于重切削加工。
TRIBOS刀具夹持器有很好的技术特性:回转精度<3µm：重复夹紧精度<3µm：稳定可靠的夹紧力：能传递很大的扭矩：采用完全对称的结构，夹持器没有滑动件，无磨损，免维护，经久耐用，适用于高速切削：用加载器装刀，换刀迅速、方便，加载器不需要外部动力源：TRIBOS-S刀具夹持器的夹持段具有极小的外径：TRIBOS-R刀具夹持器具有很好的刚性、优良的阻尼减振性能，可以提高切削加工精度，改善加工表面质量。即使是TRIBOS-S刀具夹持器也能传递相当大的扭矩，可以满足绝大部分精加工的要求。表2列出了TRIBOS-S刀具夹持器所能传递的最小扭矩。TRIBOS刀具夹持器的动平衡检测、调试和动平衡指标与静压膨胀式刀具夹头基本相同。如果有更高的转速要求，经过更精细的动平衡，可以使TRIBOS刀具夹持器适用于85000r/min的工作转速。在德国达姆施塔特生产技术和切削机床研究所进行的测试中，TRIBOS刀具夹持器在205000r/min的转速下仍能保持良好的力学性能。
使用要求
TRIBOS刀具夹持器对被夹刀具刀杆的精度要求与静压膨胀式刀具夹头相同，为了能传递规定的扭矩，要保证有足够的夹持长度，一般要将刀杆在夹持器孔中插到底。