3 加工中心工具系统3.1 概述1.数控刀具的分类数控机床加工时都必须采用数控刀具，数控刀具主要是指数控车床、数控铣床、加工中心等机床上所使用的刀具。

数控刀具按不同的分类方式可分成几类。

(1)按数控刀具的结构可分为：1)整体式由整块材料磨制而成，使用时根据不同用途将切削部分修磨成所需要形状。

2)镶嵌式分为焊接式和机夹式。

机夹式又可分为不转位和可转位两种。

3)减振式当刀具的工作臂长度与直径比大于4时，为了减少刀具的振动，提高加工精度，所采用一种特殊结构的刀具，主要用于镗孔。

4)内冷式刀具的切削冷却液通过机床主轴或刀盘传递到刀体内部由喷孔喷射到切削刃部位。

5)特殊形式包括强力夹紧、可逆攻丝、复合刀具等。

目前数控刀具主要采用机夹可转位刀具。

(2)根据制造刀具所用的材料可分为：高速钢刀具、硬质合金刀具、金刚石刀具和其他材料刀具，如立方氮化硼刀具，陶瓷刀具等。

目前数控机床用的最多最普遍的是硬质合金刀具。

(3)从切削工艺上可分为：①车削刀具，分外圆、内孔、螺纹、切割刀具等多种；②钻削刀具，包括钻头、铰刀、丝锥等；③镗削刀具；④铣削刀具等。

为了适应数控机床对刀具耐用、稳定、易调、可换等的要求，近几年机夹式可转位刀具得到广泛的应用，在数量上达到整个数控刀具的30%～40%，金属切除量占总数的80%～90%。

从现实情况看，应从广义上来理解“数控机床刀具”的含义。

随着数控机床结构、功能的发展，现在数控机床所使用的刀具，不是普通机床所采用的那样“一机一刀”的模式，而是多种不同类型的刀具按加工需要在同一台加工中心的主轴上轮换使用。

又由于加工中心加工内容的多样性，其配备的刀具和装夹工具种类很多，并且要求刀具更换迅速。

因此，刀辅具的标准化和系列化十分重要。

把通用性较强的刀具和配套装夹工具系列化、标准化，就成为通常所说的工具系统。

工具系统是针对数控机床要求与之配套的刀具必须可快换和高效切削而发展起来的，是刀具与机床的接口。

它除了刀具本身外，还包括实现刀具快换所必需的定位、夹紧、抓拿及刀具保护等机构。

3.2 加工中心工具系统3.2.1 概述采用工具系统进行加工，虽然工具成本较高，但它能保证加工质量，最大限度地提高加工质量和生产率，使加工中心的效能得到充分发挥。

1.工具系统的分类目前数控机床采用的工具系统有车削类工具系统、镗铣类工具系统两类。

镗铣类工具系统一般由工具柄部、刀具装夹部分及刀具组成。

它们经组合后可以完成钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺纹等加工工艺。

2.加工中心对工具系统的要求(1) 工具系统的高度安全性；(2) 工具系统优异的动平衡性；(3) 高的系统刚性；(4) 高的系统精度；(5) 高的互换性；(6) 高效性；(7) 高适应性。

3.刀具选择原则刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。

应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。

刀具选择总的原则是：安装调整方便，刚性好，耐用度和精度高。

在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性。

3.2.2 加工中心工具系统分类镗铣类工具系统分为整体式结构和模块式结构两大类。

1.整体式结构我国TSG工具系统就属于整体式结构的工具系统。

它的特点是将锥柄和接杆连成一体，不同品种和规格的工作部分都必须带有与机床相连的柄部。

其优点是结构简单，使用方便、可靠，更换迅速等。

缺点是锥柄的品种和数量较多。

图3-1所示是整体式工具系统组成，图3-2所示是TSG82工具系统，选用时一定要按图示进行配置。

表3-1是TSG82工具系统的代码和意义。

图3-1 整体式工具系统组成图3-2 TSG82工具系统表3-1 TSG82工具系统的代码和意义注：用数字表示工具的规格，其含义随工具不同而异。

有些工具该数字为轮廓尺寸D-L；有些工具该数字表示应用范围。

还有表示其他参数值的，如锥度号等。

2.模块式结构模块式结构把工具的柄部和工作部分分开，制成系统化的主柄模块、中间模块和工作模块，每类模块中又分为若干小类和规格，然后用不同规格的中间模块组装成不同用途、不同规格的模块式刀具，这样就方便了制造、使用和保管，减少了工具的规格、品种和数量的储备，对加工中心较多的企业有很高的实用价值。

目前，模块式工具系统已成为数控加工刀具发展的方向。

国外有许多应用比较成熟和广泛的模块式工具系统。

例如瑞士的山特维克（SANDVIK）公司有比较完善的模块式工具系统，在我国的许多企业得到了很好的应用。

国内的TMG10和TMG21工具系统就属于这一类。

图3-3所示是模块式工具系统组成，图3-4所示为TMG工具系统的示意图。

图3-3 模块式工具系统组成图3-4 TMG工具系统3.2.3 工具系统接口技术刀具系统接口技术包括刀具—机床接口技术与刀具—刀柄接口技术。

1.刀具—机床接口技术工具柄部是指工具系统与机床主轴连接的部分，是数控机床工具系统的重要组成部分之一，是加工中心必备的辅具。

在加工中心上，各种刀具分别装在刀库上，按程序规定随时进行选刀和换刀动作。

因此必须采用标准刀柄，以便使钻、镗、扩、铣削等工序用的标准刀具，迅速、准确地装到机床主轴或刀库上去。

现在通常采用的是两面约束过定位夹持系统，该系统具有很高的接触刚度和重复定位精度，夹紧可靠。

该系统主要有1:10的短锥柄和7:24的长锥柄两种形式。

虽然长锥柄可以与传统BT刀柄互换，并可方便安装于主轴锥孔锥度为7:24的机床上，而且连接刚度和精度都较高，但从切削速度日趋提高的高速加工的发展趋势来看，锥度为1:10的短锥柄的刀柄结构的发展前景更为广阔。

目前，短锥柄的两面约束刀柄主要有HSK、KM、NT、BIG-PLUS等几种。

（1）HSK刀柄HSK刀柄的锥柄部分采用锥度为1:10 的中空短锥柄，其结构如图3-5所示。

当刀柄与主轴连接时，依靠短锥刀柄在主轴锥孔内定心。

图3-5 HSK工具系统结构1.刀柄2.拉杆3.主轴4.弹簧套当短锥刀柄与主轴锥孔紧密接触时．在端面间尚有0.1左右的间隙，在拉紧力作用下，利用中空刀柄的弹性变形补偿该间隙，以实现与主轴锥面和端面双面约束定位。

此时，短刀柄与主轴锥孔间的过盈量约3～10µm。

由于中空刀柄具有较大的弹性变形，因此对刀柄的制造精度要求相对较低。

此外，HSK刀具还具有这样一些特点：采取自内向外锁紧方式，静、动态刚度大，径向圆跳动精度及轴向定位精度高，高速旋转时无主轴孔扩张，换刀时间短，重复定位精度高，可进行内冷却，重量轻，并可同时适用旋转刀具及不旋转刀具。

但其中空短锥柄结构亦会使系统刚度与强度受到影响。

HSK刀柄有A、B、C、D、E等多种形式，其中HSK40A 、HSK40E 、HSK63E 的极限转速可达到4,200r/min 、55,000r/min 、32,500r/min 。

（2）KM系列由美国肯纳公司研究开发的KM(Kennametal )模块系统—两面夹刀具系统，其结构如图3-6所示。

它采用了三点定位方式，既可用于车床又可用于车削中心和加工中心。

由于它结构独特，具有高速、高刚性、高精度的优点，正在被越来越多的机床厂家所采用。

与HSK刀柄相比，KM刀柄与主轴锥孔间的过盈量高约2～5倍，如KM6350(相当于BT40)的过盈量为10～25µm，其实际应用中，KM6350和KM4032的转速分别达到36,000r/min和50,000r/min。

HSK和KM两系统的刚度比较如图3-7。

图3-6 KM刀具系统1.刀柄2.拉杆3.锁紧钢球4.锁闭杆图3-7 HSK和KM两系统的刚度比较（3）BIG-PLUS刀具系列BIG-PLUS刀具系统采用7:24 锥度，其结构设计可保证刀柄主轴与主轴端面的间隙约0.2 左右，锁紧时可利用主轴内孔的弹性膨胀对该间隙进行补偿，以确保刀柄与主轴端面贴紧。

两面约束夹持系统弥补了传统工具系统的许多不足，代表了刀具—机床接口技术的主流方向，必将得到越来越广泛的应用。

目前，国外已研发了多种结构形式的两面约束夹持系统，由于该系统具有重复定位精度高、动静刚度高等一系列优点，可满足高速加工的要求。

2.刀具—刀柄接口技术刀柄对刀具的夹持力的大小和夹持精度的高低，在高速切削中具有十分重要的位置。

如果刀柄对刀具夹持不牢固，轻则降低加工精度，重则导致刀具及工件损坏，甚至引发安全事故。

提高刀具系统夹持精度，就必须设法使刀具得到精密可靠定位，确保足够夹持力，就必须严格控制和提高刀具系统配合精度、加大夹持长度、优化结构设计及合理选材。

目前，适宜高速切削加工的刀具夹头主要有以下几种：（1）热缩夹头利用刀柄装刀孔热胀冷缩使刀具可靠夹紧。

它是一种无夹紧元件的夹头，结构简单对称、夹紧力大。

（2）高精度弹簧夹头由日本大昭和精机株式会社生产的高精度弹簧夹头，采用锥角12°锥套，所有夹头都经平衡修整，以适应高速加工的要求。

目前，这种夹头的转速可达30,000～40,000r/min。

（3）高精度液压夹头BlG-PLUS刀具系统的高精度液压夹头采用两点夹持的一体型构造，具有很高的夹持力和夹持精度，且减小了夹头质量。

（4）高精度静压膨胀式夹头由德国雄克公司生产的高精度静压膨胀式夹头，通过拧紧加压螺栓提高油腔内的油压，使油腔内壁均匀对称的向轴线方向膨胀，以夹紧刀具。

该夹头夹持精度极高，其径向跳动小于3µm。

（5）三棱变形夹头该夹头利用夹头本身的变形力夹紧刀具，其自由状态为三棱形，装夹刀具时，利用液力作用使夹头内孔变为圆形，撤消外力后，内孔重新收缩为三棱形，以实现对刀具三点夹紧。

该夹头具有结构紧凑、定位精度高(可达3µm以下)且对称、刀具装夹简单等恃点。

（6）新颖结构夹头由Sandvik 公司新推出的Coro Grip夹头，借助液压装置推动锥套，在3D处测量，其径向跳动可达2～6µm，这种夹头夹紧更为可靠，其刚性高于液压夹头，装夹时间短于热缩夹头。

ISCAR公司推出的圆柱柄新型装夹方式，不仅保证端面接触，而且能在半个圆周面上形成夹紧力，提高了夹持刚性。

3.各种常见刀柄及其用途（1）ER弹簧夹头刀柄如图3-8a所示，它采用ER型卡簧、夹紧力不大，适用于夹持直径在φ16㎜以下的铣刀。

ER型卡簧如图3-8b所示。

图3-8 各类刀柄及夹头（2）强力夹头刀柄其外形与ER弹簧夹头刀柄相似，但采用KM型卡簧，可以提供较大夹紧力，适用于夹持φ16㎜以上直径的铣刀进行强力铣削。

KM型卡簧如图3-8c 所示。

（3）莫氏锥度刀柄如图3-8d所示，它适用于莫氏锥度刀杆的钻头、铣刀等。

（4）侧固式刀柄如图3-8e所示，它采用侧向夹紧，适用于切削力大的加工，但一种尺寸的刀具需对应配备一种刀柄，规格较多。

（5）面铣刀刀柄如图3-8f所示，与面铣刀刀盘配套使用。