CN101923009B - Hsk工具系统综合性能的多用途立式测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种HSK工具系统综合性能的多用途立式测试装置，涉及机械加工工具测试技术领域，包括底座(1)、立式箱体(2)、主轴机构，HSK刀柄座(24)、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。本发明通过更换不同型号的HSK刀柄座可以实现对不同型号的HSK刀柄进行测试研究的需要，通过刀柄夹紧结构和刀柄装卸机构可以实现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，研究主要因素对HSK性能的影响规律；根据刀柄性能研究需要，主轴结构可以自由转动。

Description

HSK工具系统综合性能的多用途立式测试装置

技术领域

本发明涉及机械加工工具测试技术领域，特指一种高速加工用HSK工具系统综合性能的多用途立式测试装置。本装置可以模拟实际工况下试验、测定HSK-40、HSK-50、HSK-63和HSK-100等不同型号的HSK工具系统的刚度、定位精度以及动态特性等各项性能。

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，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，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，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，特别是由于缺少HSK工具系统综合性能的测试装置，无法对HSK工具系统的综合性能展开系统试验研究，对HSK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。

申请号为200610161351.6、公开号为CN101000284A的中国专利公开了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。

目前，我们研制并申请的专利号为ZL200610161350.1的“HSK工具系统性能的测试方法及其装置”专利在一定程度上解决了HSK工具系统性能的定性测试问题，为工具系统的研究和设计提供有效工具，但是HSK工具系统有多种型号，若每种型号都设计一台测试装置，则太浪费；并且原有测试装置都采用卧式结构，测试中会受到重力影响，因此进一步研制HSK工具系统综合性能的多用途立式测试装置，更有利于工具系统的精确测试研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：HSK工具系统有多种标准型号，如HSK-40、HSK-50、HSK-63、HSK-100等，若每种型号都设计一台测试装置，则成本太大，又占用大量空间；并且原有测试装置采用卧式结构，测试中会受到重力影响，影响测试精度。提供了一种HSK工具系统综合性能的多用途立式测试装置，本装置结构简单，工作可靠，制造精度高，可用于对HSK-40、HSK-50、HSK-63和HSK-100等多种型号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、承载能力以及动态特性等；并可进一步研究一些主要因素如夹紧力、载荷等，对工具系统性能的影响规律。

本发明所述测试装置是由底座、立式箱体、主轴机构，HSK-40刀柄座、HSK-50刀柄座、HSK-63刀柄座、HSK-100刀柄座、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：立式箱体主体部分为一空心圆柱，其内孔经精密镗削，用于安装主轴结构，空心圆柱外侧与一立柱浇铸于一体，空心圆柱与立柱平行，立柱低端通过螺栓固定在底座上，使得立式箱体中的空心圆柱和立柱都垂直于底座，底座和立式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立式箱体内，HSK-40刀柄座、HSK-50刀柄座、HSK-63刀柄座、HSK-100刀柄座根据测试的刀柄型号通过螺栓固定在主轴前端，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立式箱体上，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立式箱体上。

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。

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，夹紧锥套为前端大、后端小中心带有螺纹孔的圆柱形结构，前后大小端之间有圆锥过渡，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，夹爪为一面为平面，另一面的两端带有凸形平台的圆弧形结构，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。其中防护罩为圆筒形结构，在筒壁上开有方孔，用于调节杆调整夹紧力，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和调节杆。调整螺母为外侧带有六个小孔的螺母结构，通过螺纹安装在拉杆后端，调节杆插入小孔内，可带动调整螺母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、螺杆、止动环、衬套。螺杆通过螺纹安装在衬套上，锁紧螺母固定在螺杆的顶端，止动环为一端开口且内孔较浅的圆筒形结构，通过螺钉安装在轴承罩上，衬套通过螺钉安装在箱体上，转动锁紧螺母，使螺杆径向运动，压紧止动环与衬套的固定表面，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.测试装置采用立式结构更符合实际工况，有效避免重力对径向精度的影响，可使得测试结果更准确。

2.可对不同型号的HSK工具系统进行测试。刀柄座为可拆卸结构，根据不同型号的HSK工具系统可以更换不同的刀柄座，简单方便，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。

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刀柄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，并可以通过测力仪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。刀柄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1是HSK工具系统综合性能的立式测试装置结构图。

图2是HSK刀柄夹紧结构图。

图3是HSK刀柄夹紧力调整测量示意图。

图4是主轴锁紧机构结构图。

图5是夹紧锥套结构图。

图6是夹爪结构图。

图7是调整螺母结构图。

图中：1底座，2立式箱体，3主轴衬套，4主轴，5精密滚珠轴承，6碟形弹簧，7拉杆，8主轴套筒，9轴承罩，10锁紧螺母，11螺杆，12衬套，13止动环，14套筒，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螺杆，20转动手轮，21导线，22数字式显示仪，23轴向止推球轴承，24HSK刀柄座，25预紧弹簧，26刀柄，27夹紧锥套，28夹爪，29调节杆。

具体实施方式

如图1，2，3，4所示，由本发明所述装置是由底座1、立式箱体2、主轴机构，HSK刀柄座24、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：立式箱体2主体部分为一空心圆柱，其内孔经精密镗削，用于安装主轴结构，空心圆柱外侧与一立柱浇铸于一体，空心圆柱与立柱平行，立柱低端通过螺栓固定在底座1上，使得立式箱体2中的空心圆柱和立柱都垂直于底座1，底座1和立式箱体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立式箱体2内，不同型号的HSK刀柄座24根据测试的刀柄型号通过螺栓固定在主轴4前端，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立式箱体2上，夹紧力调整装置和测量结构通过螺纹固定拉杆7上，主轴锁紧装置通过螺钉固定在立式箱体2上。

主轴机构包括主轴4、精密滚珠轴承5、轴向止推球轴承23、主轴衬套3、主轴套筒8、轴承罩9。其中主轴衬套3通过螺栓固定在测试装置立式箱体2上，主轴4通过前后端的无内、外圈的精密滚珠轴承5安装在主轴衬套3内部，采用无内、外圈的精密滚珠轴承5，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9通过螺栓固定在主轴4的尾部，轴向止推球轴承23一个装在在主轴4前端面后部与主轴衬套3前端面之间，另一个装在主轴衬套3后端面与轴承罩9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8安装于前后端的两个精密滚珠轴承5之间。

刀柄夹紧结构包括拉杆7、碟形弹簧6、夹紧锥套27、夹爪28、预紧弹簧25，套筒14。刀柄夹紧机构安装于主轴4内孔里面，其中拉杆7为一前后都有螺纹的细长杆，夹紧锥套27为前端大、后端小中心带有螺纹孔的圆柱形结构，前后大小端之间有圆锥过渡，夹紧锥套27通过螺纹安装在拉杆7顶端，可根据需要调整其长度，碟形弹簧6通过前后套筒14安装在拉杆7中间，夹爪28为一面为平面，另一面的两端带有凸形平台的圆弧形结构，夹爪28均匀的分布在主轴4内孔槽内，前端与夹紧锥套27相连，在碟形弹簧6的向后作用下，拉杆7带动夹紧锥套27同时向后轴向移动，从而使得夹爪28径向轻微移动而张开，预紧弹簧25前端与夹爪28相接，防止夹爪28在夹紧锥套27的作用下，向后移动抵消夹紧锥套27对夹爪28产生的径向移动。如图1，2，5，6所示。

刀柄装卸机构包括转动手轮20、防护罩18、螺杆19。其中防护罩18为圆筒形结构，在筒壁上开有方孔，用于调节杆29调整夹紧力，防护罩18通过螺栓固定在立式箱体2上，螺杆19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20通过螺栓和平键固定在螺杆19上。通过转动手轮20，可带动螺杆19相对于防护罩18轴向向前移动，推动拉杆7轴向向前移动，带动夹紧锥套27轴向向前移动，夹紧刀柄26的夹爪28径向收缩，夹紧锥套27进一步向前轴向移动，将刀柄26从主轴4锥孔中推出。反向转动手轮20，螺杆19轴向右移，在碟形弹簧6的弹力作用下，拉杆7和夹紧锥套27轴向右移，夹爪28径向张开，夹爪28的锥面与刀柄26内孔壁成30°接触，总夹紧力可分为径向力和轴向力作用于刀柄26的锥部内壁，轴向力使得刀柄26轴向拉紧，径向力使得刀柄26锥部径向涨开，与主轴4锥孔壁紧密结合，最终将刀柄26夹紧。拉杆7后端与螺杆19前端采用球面结构，可减小摩擦扭矩，使转动手轮20更省力。如图1，2，3所示。

夹紧力调整装置包括调整螺母17、调节杆29。调整螺母17外圆表面中间，沿圆周均匀分布6个小孔，调整螺母17通过螺纹安装在拉杆7后端，调节杆29插入小孔带动调整螺母17在拉杆7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6的压缩量，从而实现调整拉杆7原始夹紧力的目的，利用碟形弹簧6弹力将刀柄26夹紧，机构紧凑，夹紧可靠。如图3，7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7上的套筒14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10、螺杆11、止动环13、衬套12，螺杆11通过螺纹安装在衬套12上，锁紧螺母10固定在螺杆11的顶端，止动环13为一端开口且内孔较浅的圆筒形结构，通过螺钉安装在轴承罩9上，衬套12通过螺钉安装在箱体2上，转动锁紧螺母10，使螺杆11径向运动，压紧止动环13与衬套12的固定表面，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4所示。

其具体实施过程及步骤如下：

1、HSK刀柄座的装卸

根据测试HSK刀柄型号的需要，把对应的HSK刀柄座装上主轴前端，并通过螺栓固定。

2、HSK刀柄的装夹

转动手轮，带动螺杆相对于防护罩轴向前移动，推动拉杆轴向前移，带动夹紧锥套前移，夹紧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，拉杆轴向后移，带动夹紧锥套轴向后移，夹爪径向张开；夹爪的锥面与刀柄30°接触并拉动HSK刀柄后移，最终将HSK刀柄夹紧。

3、HSK刀柄综合性能的测试

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、承载能力和动态特性等性能进行测试。转动主轴，并利用锁紧结构锁紧主轴，进一步测试HSK刀柄不同方位的性能。

4、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，以利用精确调整夹紧力的大小。

5、HSK刀柄的卸下

转动手轮，使螺杆轴向前移，推动拉杆轴向前移，拉杆左端的夹紧锥套前移，夹紧刀柄的夹爪径向收缩，与刀柄内壁分离，夹紧锥套进一步前移，将HSK刀柄从主轴锥孔中推出，完成了HSK刀柄的卸下过程。

如需测试其它型号的HSK刀柄性能，只需把对应于该HSK型号的刀柄座固定在主轴上，重复步骤1-5过程。

Claims (7)

1.一种HSK工具系统综合性能的多用途立式测试装置，其特征在于，包括底座(1)、立式箱体(2)、主轴机构，HSK刀柄座(24)、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，所述立式箱体(2)的主体部分为一空心圆柱，空心圆柱的内孔经精密镗削，安装主轴机构，所述空心圆柱外侧设有一立柱，所述立柱与空心圆柱平行并浇铸于一体，所述底座(1)和立式箱体(2)接触面都经过刮削，立式箱体(2)通过螺栓固定在底座(1)上，使立式箱体(2)的空心圆柱和立柱都垂直于底座(1)；所述主轴机构通过螺钉安装在立式箱体(2)内，所述HSK刀柄座(24)通过螺栓固定在主轴机构上，所述刀柄夹紧结构安装在主轴机构内，所述刀柄装卸机构通过螺栓固定在立式箱体(2)上，所述夹紧力调整装置和夹紧力测量装置通过螺纹固定在刀柄夹紧结构上，所述主轴锁紧装置通过螺钉固定在立式箱体(2)上。 

2.根据权利要求1所述的HSK工具系统综合性能的多用途立式测试装置，其特征在于，所述主轴机构包括主轴(4)、精密滚珠轴承(5)、两个轴向止推球轴承(23)、主轴衬套(3)、主轴套筒(8)、轴承罩(9)；所述主轴衬套(3)通过螺栓固定在测试装置立式箱体(2)上，主轴(4)通过精密滚珠轴承(5)安装在主轴衬套(3)内部，所述精密滚珠轴承(5)采用无内、外圈的精密滚珠轴承(5)，所述轴承罩(9)通过螺栓固定在主轴(4)的尾部，一个所述轴向止推球轴承(23)装在主轴(4)前端面后部与主轴衬套(3)前端面之间，另一个所述轴向止推球轴承(23)装在主轴衬套(3)后端面与轴承罩(9)之间，所述主轴套筒(8)安装于前后端的两个精密滚珠轴承(5)之间。 

3.根据权利要求2所述的HSK工具系统综合性能的多用途立式测试装置，其特征在于，所述刀柄夹紧结构包括拉杆(7)、碟形弹簧(6)、夹紧锥套(27)、夹爪(28)、预紧弹簧(25)，套筒(14)；所述刀柄夹紧机构安装于主轴(4)内孔里面，所述拉杆(7)为一前后都有螺纹的细长杆，所述夹紧锥套(27)为前端大、后端小、中心带有螺纹孔的圆柱形结构，所述夹紧锥套(27)的前后大小端之间有圆锥过渡，所述夹紧锥套(27)通过螺纹安装在拉杆(7)顶端，所述碟形弹簧(6)通过前后套筒(14)安装在拉杆(7)中间，所述夹爪(28)的一面为平面，另一面的两端带有凸形平台的圆弧形结构，所述夹爪(28)均匀的分布在主轴(4)内孔槽内，前端与夹紧锥套(27)相连，预紧弹簧(25)前端与夹爪(28)相接。 

4.根据权利要求3所述的HSK工具系统综合性能的多用途立式测试装置，其特征在于，所述刀柄装卸机构包括转动手轮(20)、防护罩(18)、螺杆(19)；所述防护罩(18)为圆筒形结构，在筒壁上开有方孔，所述防护罩(18)通过螺栓固定在立式箱体(2)上，所述螺杆(19)安装于防护罩(18)的中心，所述转动手轮(20)通过螺栓和平键固定在螺杆(19)上，拉杆(7) 后端与螺杆(19)前端采用球面结构。 

5.根据权利要求3所述的HSK工具系统综合性能的多用途立式测试装置，其特征在于，所述夹紧力调整装置包括调整螺母(17)、调节杆(29)；所述调整螺母(17)安装在拉杆(7)后端，在调整螺母(17)外圆表面中间沿圆周均匀分布6个小孔，所述调节杆(29)插入小孔带动调整螺母(17)在拉杆(7)上旋转作轴向移动。 

6.根据权利要求5所述的HSK工具系统综合性能的多用途立式测试装置，其特征在于，所述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)和止推球轴承(16)；所述环形压电式测力传感器(15)直接安装在拉杆(7)上的套筒(14)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，所述止推球轴承(16)安装在测力传感器(15)和调整螺母(17)之间。 

7.根据权利要求2所述的HSK工具系统综合性能的多用途立式测试装置，其特征在于，所述主轴锁紧装置包括锁紧螺母(10)、螺杆(11)、止动环(13)、衬套(12)；所述螺杆(11)通过螺纹安装在衬套(12)上，所述锁紧螺母(10)固定在螺杆(11)的顶端，所述止动环(13)为一端开口的圆筒形结构，止动环(13)通过螺钉安装在轴承罩(9)上，所述衬套(12)通过螺钉安装在立式箱体(2)上。 

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