CN100507495C - 通用高速加工工具系统综合性能的测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种通用高速加工工具系统综合性能的测试装置，它是由底座、箱体、主轴机构(主轴、精密滚珠轴承、止推球轴承、主轴衬套、主轴套筒、轴承罩)、拉杆、碟形弹簧、套筒、HSK刀柄夹紧结构、KM刀柄夹紧结构、BT和BIGPULS刀柄夹紧结构、刀柄装卸机构、夹紧力调整装置、夹紧力测量装置、主轴锁紧装置(锁紧螺母)组成。本发明通过更换不同的刀柄座和夹紧结构可以实现对HSK、KM、BT和BIG-PLUS等不同类型的工具系统进行测试研究的需要，利用不同的刀柄夹紧结构和刀柄装卸机构可以实现不同工具系统刀柄的夹紧和装卸。通过夹紧力调整装置和夹紧力测量装置实现工具系统原始夹紧力在1-20kN之间的调整和实时测量，研究夹紧力、载荷等因素对不同工具系统性能的影响规律。

Description

通用高速加工工具系统综合性能的测试装置

技术领域

本发明涉及机械工程技术领域，特指一种通用高速加工工具系统综合性能的测试装置。本装置可以试验、测定HSK、KM、BT和BIG-PLUS等不同类型的工具系统的刚度、定位精度以及承载能力等各项性能。

背景技术

高速加工工具系统是高速精密数控机床(加工中心)的重要组成部分，其结构特性、动态特性、动平衡稳定性等直接影响和制约着高速加工的质量和效率。

随着高速加工的转速越来越高，传统的7：24锥度的单面夹紧工具系统系统，在高速加工时，将会出现刚度不足，重复定位精度不稳定等问题，为此工业发达国家于80年代开始研究、开发了刀柄与主轴内孔锥面和端面同时贴紧的两面定位工具系统，其中有德国ACHEN大学开发的HSK工具系统，美国KENNAMETAL公司开发的KM工具系统，以及日本大昭和精机公司开发的BigPlus工具系统等，这些工具系统各有特点，都在一定程度上解决了BT工具系统在高速加工中出现的问题。由于技术保密和国际竞争等原因，各工具系统开发公司都未公开其系统基础共性技术理论及其相关制造技术，而大量推销其工具系统及其系列产品。加之我国在数控机床高效精密加工工具系统领域的研究工作起步较迟，研究较少，对工具系统的结构、性能、工作机理及其变化规律等还未完全掌握，尚未建立高速精密加工工具系统设计与制造的理论体系，严重影响和制约了我国先进制造技术的发展。

目前，由于缺少工具系统综合性能的测试装置，无法对工具系统的综合性能展开试验研究，对工具系统的各种性能及其本身存在的一些特殊规律研究不充分。而系统的开展工具系统的试验研究，了解影响其性能的基本因素，掌握其变化规律对开发和应用具有自主知识产权的工具系统都是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是设计一种通用高速加工工具系统综合性能的测试装置，可用于对HSK、KM、BT和BIGPULS等不同类型的工具系统的各项性能进行试验和测定，如：刀柄与主轴端面之间的接触刚度、主轴和刀柄锥面之间的摩擦阻力、刀柄与主轴定位精度、承载能力等；并可进一步研究一些主要因素(夹紧力、载荷等)对这些性能的影响规律。

本发明所述测试装置是由底座、箱体、主轴机构、拉杆、碟形弹簧、套筒、HSK刀柄夹紧结构、KM刀柄夹紧结构、BT和BIGPULS刀柄夹紧结构、刀柄装卸机构、夹紧力调整装置、夹紧力测量装置、主轴锁紧装置组成。其中：箱体通过螺栓固定在底座上，底座和箱体接触面都经过刮削，以保证平面度。主轴机构通过螺钉安装在箱体内，拉杆安装在主轴内孔里面，其前端带有内螺纹，后端带有外螺纹，碟形弹簧通过前后套筒安装在拉杆中间，用于产生原始夹紧力。HSK刀柄夹紧结构、KM刀柄夹紧结构、BT和BIGPULS刀柄夹紧结构可根据测试的需要通过螺栓固定在拉杆前端，刀柄装卸机构通过螺栓固定在箱体上，夹紧力调整装置和夹紧力测量装置通过螺纹固定在拉杆后端，主轴锁紧结构通过螺钉固定在箱体上。

主轴机构包括主轴、精密滚珠轴承、轴向止推球轴承、主轴衬套、主轴套筒、轴承罩。其中主轴衬套通过螺栓固定在测试装置箱体上，主轴通过前后端的无内、外圈的精密滚珠轴承安装在主轴衬套内部，采用无内、外圈的精密滚珠轴承，可以消除轴承内、外圈的制造、安装误差，使主轴的回转精度达0.002mm，主轴套筒装在在前后精密滚珠轴承之间，轴承罩通过螺栓固定在主轴的尾部，轴向止推球轴承一个装在在主轴前端面后部与主轴衬套前端面之间，另一个装在主轴衬套后端面与轴承罩之间，防止主轴的轴向移动，以及保证主轴的顺利转动。

HSK刀柄夹紧结构包括HSK刀柄座、夹紧锥套、夹爪、预紧弹簧、弹簧座。HSK刀柄座用于放置HSK刀柄，可通过螺栓固定在主轴前端。夹紧锥套通过螺纹安装固定在拉杆前端，夹爪均匀的分布在主轴内孔槽内，前端与夹紧锥套相连，在碟形弹簧的向后作用下，拉杆带动夹紧锥套同时向右轴向移动，从而使得夹爪径向轻微移动而张开，预紧弹簧放在弹簧座内，前端与夹爪相接，防止夹爪在夹紧锥套的作用下，向后移动抵消夹紧锥套对夹爪产生的径向移动。

KM刀柄夹紧结构包括KM刀柄座、夹紧杆、钢球、固定套。KM刀柄座用于放置KM刀柄，可通过螺栓固定在主轴前端。夹紧杆通过螺纹安装固定在拉杆前端，其对称各有一个球槽，用于放置钢球，固定套通过螺钉固定在刀柄座上，前端开有对称孔，用于固定钢球，在碟形弹簧的向后作用下，拉杆带动夹紧杆同时向右轴向移动，从而使得钢球径向移动，在刀柄上45°角作用下拉紧刀柄。

BT和BIGPULS刀柄夹紧结构包括BT刀柄座和BIGPULS刀柄座、夹紧套、夹爪、弹性环。BT刀柄座和BIGPULS刀柄座用于放置BT刀柄和BIGPULS刀柄，可通过螺栓固定在主轴前端。夹紧套通过螺纹固定在拉杆前端，夹爪均匀的分布在主轴内孔槽内，后端与夹紧套相连，并通过弹性环张开，在碟形弹簧的向后作用下，拉杆带动夹紧套同时向右轴向移动，从而使得夹爪径向收缩并拉紧刀柄。

刀柄装卸机构包括转动手轮、防护罩、螺杆。其中防护罩通过螺栓固定在箱体上，螺杆安装于防护罩的中心，可通过螺纹旋转作轴向移动，手轮通过平键和螺栓固定在螺杆上。通过转动手轮，可带动螺杆相对于防护罩前后轴向移动，推动拉杆轴向移动，拉杆后端与螺杆前端采用球面结构，可以减小摩擦扭矩，使转动手轮更省力。

夹紧力调整装置包括调整螺母、调节杆。调整螺母通过螺纹安装在拉杆后端，可通过调节杆在拉杆上旋转作轴向移动，通过调整螺母的轴向位移，可以调整碟形弹簧的压缩量，从而实现调整拉杆原始夹紧力的目的，利用碟形弹簧弹力将刀柄夹紧，机构紧凑，夹紧可靠。

夹紧力测量装置包括环形压电式测力传感器、导线、数字式显示仪、止推球轴承。环形压电式测力传感器直接安装在拉杆上的套筒和夹紧力调整装置之间，以实现了测量夹紧力目的，测量的夹紧力通过导线与数字式显示仪连接，在数字式显示仪显示测量力的大小。止推球轴承安装在环形压电式测力传感器和调整螺母之间，可以消除环形压电式测力传感器表面摩擦扭矩对测量精度的影响，提高夹紧力的测量精度。

主轴锁紧装置包括锁紧螺母，锁紧螺母通过螺纹安装在箱体上，转动锁紧螺母，使螺杆径向运动，压紧主轴上的轴承罩固定表面，可以方便的实现主轴的锁紧，使测量数据更稳定、可靠。

本发明的优点在于：

1.可对不同的工具系统进行测试。刀柄座为可拆卸结构，根据不同的工具系统可以更换不同的刀柄座，简单方便，满足不同工具系统的测试需要，避免设计制造不同的工具系统测试装置。大大节约了制造成本。

2.具有较高的制造精度和刚度。测试装置的主轴制造误差小于机床主轴的制造误差，并且在结构上其具有很高的刚度，可减小测试装置的制造误差和变形对测试结果的影响。

3.主轴可以转动并且能够可以锁紧。工具系统的结构并不是轴对称，主轴能够转动，并且在测量时能够被锁紧，可以方便测量不同工具系统不同方位的性能，掌握结构对性能的影响规律。

4.具有夹紧力的测量、调整功能。测试装置可以方便的调整夹紧力的大小，并可以通过夹紧力测量装置精确的测量夹紧力的大小，便于研究夹紧力对不同工具系统性能的影响规律。

5.结构简单，操作方便。工具系统的夹紧由碟形弹簧自动完成，而利用螺旋机构完成工具系统的装卸，结构简单，操作省力。

附图说明

图1通用高速加工工具系统综合性能测试装置结构图

图2调节杆结构图

图3HSK刀柄夹紧结构图

图4KM刀柄夹紧结构图

图5BT刀柄夹紧结构图

图6BigPlus刀柄夹紧结构图

图中：1 底座   2 箱体   3 主轴衬套   4 精密滚珠轴承   5 主轴   6 轴向止推球轴承   7 碟形弹簧   8 主轴套筒   9 拉杆   10 轴承罩   11 套筒   12 锁紧螺母   13 环形压电式测力传感器   14 止推球轴承   15 调整螺母   16 防护罩   17 转动手轮   18 螺杆   19 导线   20 数字式显示仪   21HSK刀柄座   22 夹紧锥套   23 夹爪   24 预紧弹簧   25 弹簧座   26 HSK刀柄   27 KM刀柄座28 KM刀柄   29 夹紧杆   30 钢球   31 固定套   32 BigP1us刀柄座   33 BigPlus刀柄   34 夹紧套35 夹爪   36 弹性环   37 BT刀柄座   38 BT刀柄   39 调节杆

具体实施方式

本发明是一种通用高速加工工具系统综合性能测试装置，可用于对HSK、KM、BT和BIGPULS等不同类型的工具系统的各项性能进行试验和测定；并可进一步研究一些主要因素(夹紧力、载荷等)对这些工具系统性能的影响规律。

如图1，2，3，4，5，6所示，本发明所述测试装置是由底座1、箱体2、主轴机构、拉杆9、碟形弹簧7、套筒11、HSK刀柄夹紧结构、KM刀柄夹紧结构、BT和BIGPULS刀柄夹紧结构、刀柄装卸机构、夹紧力调整装置、夹紧力测量装置、主轴锁紧装置组成。其中：箱体2通过螺栓固定在底座1上，底座1和箱体2接触面都经过刮削，以保证平面度。主轴机构通过螺钉安装在箱体2内，拉杆9安装在主轴5内孔里面，其前端带有内螺纹，后端带有外螺纹，碟形弹簧7通过前后套筒11安装在拉杆9中间，用于产生夹紧力。HSK刀柄夹紧结构、KM刀柄夹紧结构、BT和BIGPULS刀柄夹紧结构可根据测试的需要通过螺栓固定在拉杆9前端，刀柄装卸机构通过螺栓固定在箱体2上，夹紧力调整装置和夹紧力测量装置通过螺纹固定在拉杆9后端，主轴锁紧结构通过螺钉固定在箱体2上。

主轴机构包括主轴5、精密滚珠轴承4、轴向止推球轴承6、主轴衬套3、主轴套筒8、轴承罩10。其中主轴衬套3通过螺栓固定在测试装置箱体2上，主轴5通过前后端的无内、外圈的精密滚珠轴承4安装在主轴衬套3内部，采用无内、外圈的精密滚珠轴承4，可以消除轴承内、外圈的制造、安装误差，使主轴的回转精度达0.002mm，主轴套筒8装在在前后精密滚珠轴承4之间，轴承罩10通过螺栓固定在主轴5的尾部，其中一个轴向止推球轴承6装在主轴5前端面后部与主轴衬套3前端面之间，另一个轴向止推球轴承6装在主轴衬套3后端面与轴承罩10之间，防止主轴5的轴向移动，以及保证主轴5的顺利转动。

HSK刀柄夹紧结构包括HSK刀柄座21、夹紧锥套22、夹爪23、预紧弹簧24、弹簧座25。HSK刀柄座21用于放置HSK刀柄26，可通过螺栓固定在主轴5前端。夹紧锥套22通过螺纹安装固定在拉杆9前端，夹爪23均匀的分布在主轴5内孔槽内，前端与夹紧锥套22相连，在碟形弹簧7的向后作用下，拉杆9带动夹紧锥套22同时向右轴向移动，从而使得夹爪23径向轻微移动而张开，预紧弹簧24放在弹簧座25内，前端与夹爪23相接，防止夹爪23在夹紧锥套22的作用下，向后移动抵消夹紧锥套22对夹爪23产生的径向移动。如图3所示

KM刀柄夹紧结构包括KM刀柄座27、夹紧杆29、钢球30、固定套31。KM刀柄座27用于放置KM刀柄28，可通过螺栓固定在主轴5前端。夹紧杆29通过螺纹安装固定在拉杆9前端，其对称各有一个球槽，用于放置钢球30，固定套31通过螺钉固定在刀柄座27上，前端开有对称孔，用于固定钢球30，在碟形弹簧7的向后作用下，拉杆9带动夹紧杆29同时向右轴向移动，从而使得钢球30径向移动，在刀柄28上45°角作用下拉紧刀柄。如图4所示

BT和BIGPULS刀柄夹紧结构包括BT刀柄座37和BIGPULS刀柄座32、夹紧套34、夹爪35、弹性环36。BT刀柄座37和BIGPULS刀柄座32用于放置BT刀柄38和BIGPULS刀柄33，可通过螺栓固定在主轴5前端。夹紧套34通过螺纹固定在拉杆9前端，夹爪35均匀的分布在主轴5内孔槽内，后端与夹紧套34相连，并通过弹性环36张开，在碟形弹簧7的向后作用下，拉杆9带动夹紧套34同时向右轴向移动，从而使得夹爪35径向收缩并拉紧刀柄。如图5，6所示

刀柄装卸机构包括转动手轮17、防护罩16、螺杆18。其中防护罩16通过螺栓固定在箱体2上，螺杆18安装于防护罩16的中心，可通过螺纹旋转作轴向移动，转动手轮17通过平键和螺栓固定在螺杆18上。通过转动手轮17，可带动螺杆18相对于防护罩16前后轴向向前移动，推动拉杆9轴向移动，拉杆9后端与螺杆18前端采用球面结构，可以减小摩擦扭矩，使转动手轮17更省力。

夹紧力调整装置包括调整螺母15、调节杆39。调整螺母15通过螺纹安装在拉杆9后端，在调整螺母15外圆表面中间，均匀分布6个小孔，调节杆39插入小孔带动调整螺母15在拉杆9上旋转作轴向移动，通过调整螺母15的轴向位移，可以调整碟形弹簧7的压缩量，从而实现调整拉杆9原始夹紧力的目的，利用碟形弹簧7弹力将刀柄夹紧，机构紧凑，夹紧可靠。

夹紧力测量装置包括环形压电式测力传感器13、导线19、数字式显示仪20、止推球轴承14。环形压电式测力传感器13直接安装在拉杆9上的套筒11和夹紧力调整装置之间，以实现了测量夹紧力目的，测量的夹紧力通过导线19与数字式显示仪20连接，环形压电式测力传感器13把收到的压力转变为电信号，经过信号放大器放大后进入微处理器进行信号处理，通过与事先设置的标定值进行对比后，在数字式显示仪20上显示测量的力的大小。止推球轴承14安装在环形压电式测力传感器13和调整螺母15之间，可以消除环形压电式测力传感器13表面摩擦扭矩对测量精度的影响，提高夹紧力的测量精度。

主轴锁紧装置包括锁紧螺母12，锁紧螺母12通过螺纹安装在箱体2上，转动锁紧螺母12，使螺杆径向运动，压紧主轴结构上的轴承罩10固定表面，可以方便的实现主轴5的锁紧，使测量数据更稳定。

其具体实施过程及步骤如下：

1、不同工具系统的装夹

把需要研究的工具系统刀柄座装上主轴，转动手轮，带动螺杆相对于防护罩轴向左移动，推动拉杆轴向左移，带动夹紧机构左移，使得夹紧刀柄的夹爪(钢球)松开。把刀柄放入刀柄座内孔，反向转动手轮，在碟型弹簧的弹力作用下，拉杆轴向右移，带动夹紧机构轴向右移，夹爪(钢球)与刀柄接触并拉动刀柄右移，最终将刀柄夹紧。

2、工具系统综合性能的测试

对刀柄与主轴端面之间的接触刚度、主轴和刀柄锥面之间的摩擦阻力、刀柄与主轴定位精度、承载能力等性能进行测试。转动主轴，并利用锁紧螺母锁紧主轴，进一步测试工具系统不同方位的性能。

3、夹紧力的调整和测量

利用调节杆带动调整螺母作圆周转动，达到调节碟型弹簧压缩量，从而实现调整拉杆原始夹紧力的目的。安装于套筒和夹紧力调整装置之间的环形压电式测力传感器可随时测量实际夹紧力的大小，并通过数字式显示仪显示夹紧力的大小。

4、工具系统的卸下

转动手轮，使螺杆轴向左移，推动拉杆轴向左移，拉杆左端的夹紧机构左移，夹紧刀柄的夹爪(钢球)径向收缩，与刀柄内壁分离，夹紧机构进一步左移，将刀柄从刀柄座锥孔中推出，完成了刀柄的卸下过程。

如需测试其它类型的工具系统性能，只需把对应于该工具系统的刀柄座固定在主轴上，重复1-4过程。

Claims (8)

1.一种通用高速加工工具系统综合性能的测试装置，其特征在于由底座(1)、箱体(2)、主轴机构、拉杆(9)、碟形弹簧(7)、套筒(11)、HSK刀柄夹紧结构、KM刀柄夹紧结构、BT和BIGPULS刀柄夹紧结构、刀柄装卸机构、夹紧力调整装置、夹紧力测量装置、主轴锁紧装置组成；其中：箱体(2)通过螺栓固定在底座(1)上，主轴机构通过螺钉安装在箱体(2)内，拉杆(9)安装在主轴(5)内孔里面，其前端带有内螺纹，后端带有外螺纹，碟形弹簧(7)通过前后套筒(11)安装在拉杆(9)中间；HSK刀柄夹紧结构、KM刀柄夹紧结构、BT和BIGPULS刀柄夹紧结构根据测试的需要通过螺栓固定在拉杆(9)前端，刀柄装卸机构通过螺栓固定在箱体(2)上，夹紧力调整装置和夹紧力测量装置通过螺纹固定在拉杆(9)后端，主轴锁紧结构通过螺钉固定在箱体(2)上。

2.根据权利要求1所述的通用高速加工工具系统综合性能的测试装置，其特征在于主轴机构包括主轴(5)、精密滚珠轴承(4)、轴向止推球轴承(6)、主轴衬套(3)、主轴套筒(8)、轴承罩(10)，其中主轴衬套(3)通过螺栓固定在测试装置箱体(2)上，主轴(5)通过前后端的无内、外圈的精密滚珠轴承(4)安装在主轴衬套(3)内部，主轴套筒(8)装在前后精密滚珠轴承(4)之间，轴承罩(10)通过螺栓固定在主轴(5)的尾部，其中一个轴向止推球轴承(6)装在主轴(5)前端面后部与主轴衬套(3)前端面之间，另一个轴向止推球轴承(6)装在主轴衬套(3)后端面与轴承罩(10)之间。

3.根据权利要求1所述的通用高速加工工具系统综合性能的测试装置，其特征在于HSK刀柄夹紧结构包括HSK刀柄座(21)、夹紧锥套(22)、夹爪(23)、预紧弹簧(24)、弹簧座(25)；HSK刀柄座(21)用于放置HSK刀柄(26)，通过螺栓固定在主轴(5)前端；夹紧锥套(22)通过螺纹安装固定在拉杆(9)前端，夹爪(23)均匀的分布在主轴(5)内孔槽内，前端与夹紧锥套(22)相连，预紧弹簧(24)放在弹簧座(25)内，前端与夹爪(23)相接。

4.根据权利要求1所述的通用高速加工工具系统综合性能的测试装置，其特征在于KM刀柄夹紧结构包括KM刀柄座(27)、夹紧杆(29)、钢球(30)、固定套(31)；KM刀柄座(27)用于放置KM刀柄(28)，通过螺栓固定在主轴(5)前端；夹紧杆(29)通过螺纹固定在拉杆(9)前端，其对称各有一个球槽，用于放置钢球(30)，固定套(31)通过螺钉固定在刀柄座(27)上，前端开有对称孔，用于固定钢球(30)。

5.根据权利要求1所述的通用高速加工工具系统综合性能的测试装置，其特征在于BT和BIGPULS刀柄夹紧结构包括BT刀柄座(37)和BIGPULS刀柄座(32)、夹紧套(34)、夹爪(35)、弹性环(36)；BT刀柄座(37)和BIGPULS刀柄座(32)分别用于放置BT刀柄(38)和BIGPULS刀柄(33)，通过螺栓固定在主轴(5)前端；夹紧套(34)通过螺纹安装固定在拉杆(9)前端，夹爪(35)均匀的分布在主轴(5)内孔槽内，后端与夹紧套(34)相连。

6.根据权利要求1所述的通用高速加工工具系统综合性能的测试装置，其特征在于刀柄装卸机构包括转动手轮(17)、防护罩(16)、螺杆(18)；其中防护罩(16)通过螺栓固定在箱体(2)上，螺杆(18)安装于防护罩(16)的中心，拉杆(9)后端与螺杆(18)前端采用球面结构。

7.根据权利要求1所述的通用高速加工工具系统综合性能的测试装置，其特征在于夹紧力调整装置包括调整螺母(15)、调节杆(39)；调整螺母(15)通过螺纹安装在拉杆(9)后端，在调整螺母(15)外圆表面中间，均匀分布6个小孔，调节杆(39)插入小孔。

8.根据权利要求1所述的通用高速加工工具系统综合性能的测试装置，其特征在于夹紧力测量装置包括环形压电式测力传感器(13)、导线(19)、数字式显示仪(20)、止推球轴承(14)，环形压电式测力传感器(13)直接安装在拉杆(9)上的套筒(11)和夹紧力调整装置之间，其通过导线(19)与数字式显示仪(20)连接，止推球轴承(14)安装在环形压电式测力传感器(13)和调整螺母(15)之间。

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