CN100549657C - Hsk工具系统性能的测试方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于HSK工具系统性能的测试方法及其装置，它的测试方法是由工具系统的装夹、工具系统性能的测试、夹紧力的调整和测量、以及工具系统的卸下等步骤组成；测试装置是由底座、箱体、主轴端盖、主轴机构，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、主轴锁紧装置等组成。本发明通过刀柄夹紧结构和刀柄装卸机构可以方便的实现HSK刀柄的夹紧和装卸，满足对HSK工具系统的各项性能进行试验和测定。通过夹紧力调整装置和夹紧力测量装置实现刀柄原始夹紧力在1-20KN之间的调整和实时测量，研究夹紧力、载荷等因素对HSK性能的影响规律。主轴结构的制造误差小于机床主轴的制造误差，在结构上具有很高的刚度。

Description

HSK工具系统性能的测试方法及其装置

技术领域

本发明涉及机械工程技术领域，特指一种高速加工用HSK工具系统性能的测试方法及其装置。本方法及其装置可以试验、测定HSK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。

德国ACHEN大学开发的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-HSK工具系统，由于其性能优良、工作更可靠、定位精度和静、动态刚度高，允许转速高等优点，在高速加工得到最为广泛的应用，使用范围几乎覆盖所有刀具领域。由于技术保密和国际竞争等原因，德国至今尚未公开HSK工具系统基础共性技术理论及其相关制造技术，而大量推销其HSK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HSK工具系统的结构、性能、工作机理及其变化规律等还不清楚，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HSK工具系统综合性能的测试装置，无法开展对HSK工具系统的性能试验研究。而系统的开展HSK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HSK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HSK工具系统性能的测试方法及其装置，可用于HSK工具系统各项性能的试验和测定，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。

本发明所述的测试方法：

1、工具系统的装夹

工具系统中刀柄的夹紧由碟形弹簧和刀柄夹紧机构自动完成，并利用刀柄装卸机构完成刀柄的装夹。

2、工具系统综合性能的测试

转动主轴，并利用锁紧螺母锁紧主轴，进一步测试HSK工具系统不同方位的性能。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。并测试夹紧力、载荷等对工具系统性能的影响。

3、夹紧力的调整和测量

利用夹紧力调整装置调节碟型弹簧压缩量，实现调整拉杆原始夹紧力的目的。利用夹紧力测量装置随时测量实际夹紧力的大小，并通过数字式显示仪显示出来。

4、工具系统的卸下

利用刀柄装卸机构推动夹紧机构松开HSK刀柄，并推动夹紧机构进一步前移，将HSK刀柄从主轴锥孔中推出，完成了HSK刀柄的卸下过程。

本发明所述测试装置是由底座、箱体、主轴机构，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，刀柄夹紧结构安装在主轴内孔内，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拉杆上，主轴锁紧装置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、主轴端盖、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，一个轴向止推球轴承装在在主轴前端面后部与主轴衬套前端面之间，另一个轴向止推球轴承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。主轴端盖通过紧定螺钉可固定在主轴机构上。

刀柄夹紧结构包括拉杆、碟形弹簧、夹紧锥套、夹爪、预紧弹簧，套筒。刀柄夹紧结构安装于主轴内孔里面，其中拉杆为一前后都有螺纹的细长杆，夹紧锥套通过螺纹安装固定在拉杆顶端，碟形弹簧通过前后套筒安装在拉杆中间，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。

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.测试方法简洁，方便，便于实际操作和实现，并能保证测试结果的可靠，准确。

2.采用卧式结构，使得测试装置本身安装方便，便于实验过程的测量、调整、加载。

3.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。

4.主轴可以转动并且能够可以锁紧。HSK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HSK工具系统不同方位的性能，掌握结构对性能的影响规律。

5.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HSK工具系统性能的影响规律。

6.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刀柄的装卸，结构简单，操作省力。

附图说明

图1HSK工具系统性能测试装置结构图

图2HSK刀柄夹紧结构图

图3HSK刀柄夹紧力调整测量示意图

图4夹紧锥套结构图

图5夹爪结构图

图6调整螺母结构图

图中：1箱体  2主轴衬套  3精密滚珠轴承  4主轴  5拉杆  6夹紧锥套  7夹爪  8预紧弹簧  9轴向止推球轴承  10碟形弹簧  11主轴套筒  12轴承罩  13套筒  14锁紧螺母  15环形压电式测力传感器  16止推球轴承  17调整螺母  18防护罩  19转动手轮  20螺杆  21导线  22数字式显示仪  23底座  24HSK刀柄  25主轴端盖  26调节杆

具体实施方式

本发明是一种用于对HSK刀柄性能进行测试研究的方法及其装置，一次装夹下，可对HSK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HSK性能的影响规律。

如图1，2，3所示，由本发明所述装置是由底座23、箱体1、主轴机构，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1通过螺栓固定在底座23上，底座23和箱体1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1内，刀柄夹紧结构安装在主轴4内孔内，刀柄装卸机构通过螺栓固定在箱体1上，夹紧力调整装置和夹紧力测量装置通过螺纹固定拉杆5上，主轴锁紧装置通过螺钉固定在箱体1上。

主轴机构包括主轴4、精密滚珠轴承3、轴向止推球轴承9、主轴衬套2、主轴套筒11、主轴端盖25、轴承罩12。其中主轴衬套2通过螺栓固定在测试装置箱体1上，主轴4通过前后端的无内、外圈的精密滚珠轴承3安装在主轴衬套2内部，采用无内、外圈的精密滚珠轴承3，可以消除轴承内、外圈的制造、安装误差，使主轴4的回转精度达0.002mm，轴承罩12通过螺栓固定在主轴4的尾部，一个轴向止推球轴承9装在主轴4前端面后部与主轴衬套2前端面之间，另一个轴向止推球轴承9装在主轴衬套2后端面与轴承罩12之间，防止主轴4的轴向移动，也保证主轴4的顺利转动。主轴套筒11安装于前后端的两个精密滚珠轴承3之间。主轴端盖25通过紧定螺钉可固定在主轴4上，可防止灰尘落入轴承，也便于转动主轴结构。

刀柄夹紧结构包括拉杆5、碟形弹簧10、夹紧锥套6、夹爪7、预紧弹簧8，套筒13。刀柄夹紧机构安装于主轴4内孔里面，其中拉杆5为一前后都有螺纹的细长杆，夹紧锥套6通过螺纹安装在拉杆5顶端，可根据需要调整其位置，碟形弹簧10通过前后套筒13安装在拉杆5中间，夹爪7均匀的分布在主轴4内孔槽内，前端与夹紧锥套6相连，在碟形弹簧10的向后作用下，拉杆5带动夹紧锥套6同时向后轴向移动，从而使得夹爪7径向轻微移动而张开，预紧弹簧8前端与夹爪7相接，防止夹爪7在夹紧锥套6的作用下，向后移动抵消夹紧锥套6对夹爪7产生的径向移动。如图1，2，4，5所示。

刀柄装卸机构包括转动手轮19、防护罩18、螺杆20。其中防护罩18通过螺栓固定在箱体1上，螺杆20安装于防护罩18的中心，可通过螺纹旋转作轴向移动，转动手轮19通过螺栓固定在螺杆20上。通过转动手轮19，可带动螺杆20相对于防护罩18前后轴向向前移动，推动拉杆5轴向向前移动，带动夹紧锥套6轴向移动，夹紧HSK刀柄24的夹爪7径向收缩，夹紧锥套6进一步向前轴向移动，将HSK刀柄24从主轴4锥孔中推出。反向转动手轮19，螺杆20轴向右移，在碟形弹簧10的弹力作用下，拉杆5和夹紧锥套6轴向右移，夹爪7径向张开，夹爪7的锥面与HSK刀柄24内孔壁成30°接触，总夹紧力可分为径向力和轴向力作用于HSK刀柄24的锥部内壁，轴向力使得HSK刀柄24轴向拉紧，径向力使得HSK刀柄24锥部径向涨开，与主轴4锥孔壁紧密结合，最终将HSK刀柄24夹紧。拉杆5后端与螺杆20前端采用球面结构，可以减小摩擦扭矩，使转动手轮19更省力。如图1，3所示。

夹紧力调整装置包括调整螺母17、调节杆26。调整螺母17通过螺纹安装在拉杆5后端，在调整螺母17外圆表面中间，均匀分布6个小孔，调节杆26插入小孔带动调整螺母17在拉杆5上旋转作轴向移动，通过调整螺母17的轴向位移，可以调整碟形弹簧10的压缩量，从而实现调整拉杆5原始夹紧力的目的，利用碟形弹簧10弹力将刀柄24夹紧，机构紧凑，夹紧可靠。如图3，6所示。

夹紧力测量装置包括环形压电式测力传感器15、导线21、数字式显示仪22、止推球轴承16。环形压电式测力传感器15直接安装在拉杆5上的套筒13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21与数字式显示仪22连接，环形压电式测力传感器15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22上显示测量的力的大小。止推球轴承16安装在环形压电式测力传感器15和调整螺母17之间，可以消除环形压电式测力传感器15表面摩擦扭矩对测量精度的影响，提高夹紧力的测量精度。如图1，3所示。

主轴锁紧装置包括锁紧螺母14，锁紧螺母14通过螺纹安装在箱体1上，转动锁紧螺母14，使螺杆径向运动，压紧主轴结构上的轴承罩12固定表面，可以方便的实现主轴4的锁紧，使测量数据更稳定、可靠。如图1所示。

其具体实施过程及步骤如下：

1、工具系统的装夹

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，带动夹紧锥套左移，夹紧HSK刀柄的夹爪径向收缩。把HSK刀柄放入主轴内孔，反向转动手轮，在碟型弹簧的弹力作用下，拉杆轴向右移，带动夹紧锥套轴向右移，夹爪径向张开；夹爪的锥面与刀柄30°接触并拉动HSK刀柄右移，最终将HSK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HSK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，拉杆左端的夹紧锥套左移，夹紧刀柄的夹爪径向收缩，夹紧锥套进一步左移，将HSK刀柄从主轴锥孔中推出，完成了HSK刀柄的卸下过程。

Claims (7)

1.一种HSK工具系统性能的测试方法，其特征在于：步骤如下：第一步，工具系统中刀柄的夹紧由碟形弹簧和夹紧机构自动完成，并利用刀柄装卸机构完成刀柄的装夹；第二步，转动主轴，并利用锁紧螺母锁紧主轴，测试HSK工具系统不同方位的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、承载能力性能；第三步，利用夹紧力调整装置调节碟型弹簧压缩量；利用夹紧力测量装置测量实际夹紧力的大小，并通过数字式显示仪显示出来；第四步，利用刀柄装卸机构推动夹紧机构松开HSK刀柄，并推动夹紧机构进一步前移，将HSK刀柄从主轴锥孔中推出，完成了HSK刀柄的卸下过程。

2.实施权利要求1所述的HSK工具系统性能的测试方法的装置，其特征在于由底座(23)、箱体(1)、主轴机构，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(1)通过螺栓固定在底座(23)上，主轴机构通过螺钉安装在箱体(1)内，刀柄夹紧结构安装在主轴机构中的主轴(4)内孔内，刀柄装卸机构通过螺栓固定在箱体(1)上，夹紧力调整装置和夹紧力测量装置通过螺纹固定于刀柄夹紧结构中的拉杆(5)上，主轴锁紧装置通过螺钉固定在箱体(1)上。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于主轴机构由主轴(4)、精密滚珠轴承(3)、轴向止推球轴承(9)、主轴衬套(2)、主轴套筒(11)、主轴端盖(25)、轴承罩(12)组成，其中主轴衬套(2)通过螺栓固定在箱体(1)上，主轴(4)和主轴衬套(2)之间前后各采用一个无内、外圈的精密滚珠轴承(3)，轴承罩(12)通过螺栓固定在主轴(4)的尾部，在主轴(4)端面后部与主轴衬套(2)前端面之间以及主轴衬套(2)后端面与轴承罩(12)之间各装有一个止推球轴承，主轴套筒(11)安装于前后端的两个精密滚珠轴承(3)之间，主轴端盖(25)通过紧定螺钉固定在主轴(4)上。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于刀柄夹紧结构由拉杆(5)、碟形弹簧(10)、夹紧锥套(6)、夹爪(7)、预紧弹簧(8)，套筒(13)组成，刀柄夹紧机构安装于主轴(4)内孔里面，其中拉杆(5)为一前后都有螺纹的细长杆，夹紧锥套(6)通过螺纹固定在拉杆(5)顶端，碟形弹簧(10)通过前后套筒(13)安装在拉杆(5)中间，夹爪(7)均匀的分布在主轴(4)内孔槽内，前端与夹紧锥套(6)相连，预紧弹簧(8)前端与夹爪(7)相接。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于刀柄装卸机构由转动手轮(19)、防护罩(18)、螺杆(20)组成，其中防护罩(18)通过螺栓固定在箱体(1)上，螺杆(20)安装于防护罩(18)的中心，转动手轮(19)通过螺栓固定在螺杆(20)上；夹紧HSK刀柄(24)的夹爪(7)径向收缩，拉杆(5)后端与螺杆(20)前端采用球面结构。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于夹紧力调整装置由调整螺母(17)、调节杆(26)组成，调整螺母(17)安装在拉杆(5)后端，在调整螺母(17)外圆表面中间，均匀分布6个小孔，调节杆(26)插入小孔带动调整螺母(17)在拉杆(5)上旋转作轴向移动。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于夹紧力测量装置由环形压电式测力传感器(15)、导线(21)、数字式显示仪(22)、止推球轴承(16)组成，环形压电式测力传感器(15)直接安装在拉杆(5)上的套筒(13)和夹紧力调整装置之间，并通过导线(21)与数字式显示仪(22)连接，止推球轴承(16)安装在环形压电式测力传感器(15)和调整螺母(17)之间。

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