热装式刀具夹头工作原理

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零件制造商始终面临一个挑战——如何实现简便、可重复和高刚性的刀具夹持连接，而热装式刀具夹头（以下简称热装夹头）能够很好地满足这些要求。一般而言，热装夹头具有径跳误差小、平衡性能好的固有优势。此外，热装夹头通常适用于内冷却刀具，并能夹持整体式和可转位刀片式刀具。安装在热装夹头中的刀具，其切削性能几乎可与刀具—夹头一体式切削系统相媲美。
为了将加工所需的力和扭矩传递到切削区，刀具与夹头之间必须有足够的过盈配合量，同时还要把刀具牢固地夹持在夹头内。从本质上讲，夹头的孔径应小于刀具柄部直径。典型的过盈量约为0.01mm。
当刀具插入夹头时，刀具柄部被压缩，夹头内孔则扩大，从而形成过盈配合。过盈量越大，连接强度也越高，直至应力变大到足以引起夹头或刀具失效。
热装夹头通常具有很大的过盈量。如果过盈量太小，刀具就可能被压入夹头孔中——成为压配式夹头。不过，热装夹头的过盈量保持在可利用热膨胀技术实现装配的水平。如图所示，装刀时，对夹头进行加热，直至其胀大到足以使刀柄插入孔中实现间隙配合。当夹头冷却时，刀具仍然保持在原位，收缩的夹头围绕刀柄的整个外圆表面施加均匀的压力。对于过盈量更大的情况，刀具在插入夹头之前还需要降温冷却，不过这种情况并不常见。

热装式刀具夹头工作原理

图  将刀具（左）插入加热胀大的夹头（右）中，夹头冷却收缩后形成过盈配合
刀具与夹头的装配比较容易。装配之前，甚至可以用价格低廉的烘箱慢慢将夹头加热。不过，所用的加热方法必须反过来也能用于刀具的拆卸。
拆卸刀具时，夹头的加热速度必须比刀具更快。当夹头的热胀系数大于刀具的热胀系数时，就能快速加热夹头，以尽量减少传递给刀具的热量。例如，钢制夹头和硬质合金刀具的热胀系数通常相差一倍（硬质合金的热胀系数较小）。因此，热缩连接已成为用钢制夹头夹持硬质合金刀具最流行的连接方式。理论上，如果对夹头的加热足够快，使其胀大量超过刀具的胀大量，则钢制刀具也能从钢制夹头中卸下。
此外，有三种加热系统被广泛应用于热装夹头：感应加热、热空气加热和明火加热系统。这些加热方式都能使钢制夹头比硬质合金刀具更快被加热，由于夹头胀大量超过了刀具胀大量，从而可消除过盈配合。因此，解除热缩连接的两个控制因素是：夹头和刀具两个部件具有不同的加热速度和热胀系数。
采用感应加热系统时，将夹头前端插入一个通有高频电流的金属线圈中，线圈中的电流在夹头外表面感应产生高频涡流，并迅速提高夹头的温度。感应加热系统通常配备有红外温度传感器，因此可通过调节线圈中的电流，精确控制夹头的温度。
热空气和明火加热系统也能比加热刀具更快地加热夹头外表面。不过，与感应加热方式相比，它们加热夹头的速度要慢一些，因此夹头与刀具之间的温差更小。它们的使用成本也比感应加热系统更低。
无论使用哪一种加热系统，夹头与刀具之间的温差——加上二者热胀系数的差异——使刀具既可以在加工前插入夹头中，又能在加工完成后从夹头中卸下。加热后的夹头和刀具可在空气或充满液体的热交换器中进行冷却。通常，热装夹头能有效实现20,000—50,000次装刀/卸刀循环。
热装夹头的夹持质量在很大程度上取决于配合面的质量。夹头孔与刀具柄均应有很好的圆度，且表面洁净无碎屑。柄部无各种结构特征（如Weldon平面）的刀具能获得最佳的连接强度。
随着主轴转速的提高，在离心力的作用下，热装夹头会损失一部分夹持强度。虽然这一特点并非热装夹头所独有，但其影响往往更为显著，因为热装夹头更经常应用于高速切削。