如何选择机床主轴

如何选择机床主轴接口是一项重要决定，因为这通常决定了对金属切削效率的限制。没有人能马上回答哪种是最好的接口 - 实际上，这取决于被加工的零件和所执行的工序。不应假定机床的标准主轴选项就一定是最好的接口选择。

机床主轴的要求

不加工时，机床主轴接口需要具备可迅速互换性。然而，在加工时，至关重要的是即使在极端的切削条件下，机床主轴与接口之间的连接也始终保持坚固。请务必选择具有良好抗弯刚性和扭矩传递能力的工具接口。

• 抗弯刚性：在刀具悬伸较长或切削载荷较高时实现稳定切削过程的必要条件
• 扭矩传递：大直径刀具工序最为敏感。需要通过更大的接口驱动接触面积来抵抗在与主轴中心线有一定距离处施加的载荷 (扭矩 = 力×半径)
• 精确的刀具中心位置：重复定位精度对于可靠的车削加工过程而言特别重要。

能够承受高弯矩或径向切削力的接口特性是：

• 法兰接触直径：法兰面接触可增强系统的基础，从而减小切削力的杠杆作用
• 夹紧力：约束接口的夹紧力越大，也就提高了“破坏”接口所需的切削力值。
• 截面面积：相对于法兰接触直径减小刀具直径将降低刀具的刚性
• 扭矩传递：在使用大直径刀具和进行车削时最为明显，不能承受扭矩将直接意味着失去中心高和精度

机床主轴接口的历史

机床主轴接口随机床的不断发展而发展。我们能够看到的影响变化的部分关键里程碑包括：

• 实现自动换刀和刀具存放的数控系统。采用拉钉和抓刀槽的7/24锥柄因此开发而成
• 更高的主轴转速
• 多功能加工 - 用同一个接口进行车削、铣削和钻削

第一个众所周知的接口是早在1868年为钻削开发的莫氏锥度接口。此后，我们于1927年推出了7/24锥柄，又叫做ISO锥度接口。20世纪60年代，为换刀增加了抓刀槽和拉钉，包括3种地区变型：MAS-BT (亚洲)、ISO/DIN (欧洲) 和CAT-V (美洲)。

由于低夹紧力以及与主轴头没有法兰面接触，7/24锥柄的缺点是抗弯刚性和旋转能力。因此，在90年代出现了新的开发成果：BIG-PLUS® (在日本由大昭和开发而成)、HSK (在德国由DIN委员会开发而成) 和Coromant Capto® (于1990年发布。从一开始便是为了满足所有加工类型的应用，车削、铣削和钻削的要求而开发的唯一系统)。

机床主轴接口的类型

下表所示为4种主要接口，反映了从传统7/24锥柄到Coromant Capto®的逐步进化。除了BIG-PLUS®之外的所有接口均已标准化为DIN、ISO或ANSI接口。

7/24锥柄

BIG-PLUS®

HSK-A

Coromant Capto®

7/24锥柄

对于7/24锥柄，锥度角始终相同。抓刀槽和拉钉的螺纹不同。包括CAT、ISO、DIN和MAS BT。

BIG-PLUS®

BIG-PLUS®为加工中心应用而开发。锥度和抓刀槽与传统7/24锥柄相同，但是，通过严公差控制，获得法兰面接触实现了更高的抗弯刚性。标准7/24锥柄接口能够适应BIG-PLUS®主轴，但不建议将二者混合使用。包括CAT、ISO、DIN和MAS BT。

HSK

HSK (DIN 69893) 为加工中心而开发。它具有法兰接触和空心锥涨爪夹紧的特点，因此不再需要拉钉。驱动键具有多种不同的配置 (具体取决于类型)，在某些情况下，高速应用可以不使用驱动键。

• A型：通用加工，高弯曲载荷和中等扭矩，自动换刀
• B型：车削应用，中等弯曲载荷，高扭矩，特殊应用，自动换刀
• C型：通用加工，高弯曲载荷和中等扭矩，手动换刀 (参考A型)
• D型：车削应用，中等弯曲载荷，高扭矩，特殊应用，手动换刀 (参考B型)
• E型：高速应用，轻型高速主轴，低弯矩和扭矩，自动换刀，容易平衡
• F型：中速应用，软材料加工，中等弯矩和扭矩，自动换刀，容易平衡
• T型：驱动键/槽的配合公差更严，用于旋转和车削应用 (用于刀具定位)。不需要“连接颈”，因此改进了弯矩能力

注意！大多数配备HSK-T型主轴接口的机床仍然需要连接颈来用于自动换刀和刀库，这意味着需要使用HSK A/C/T型刀具

A

B

C

D

E

F

T

A/C/T

Coromant Capto®

Coromant Capto® (ISO 26623) 兼具HSK和BIG-PLUS®的益处，但却不再需要驱动键，而是通过法兰面接触，并且三棱锥驱动。坚固的接口横截面为涨爪夹紧时，可承受更高的夹紧力提供了空间。从而获得无可匹敌的抗弯刚度、扭矩传递能力和中心高定位精度。

为了满足3种目标应用范围的需求，需要进一步改进径向精度和扭矩传递：

• 机床主轴接口 - 加工中心和立式车床
• 模块化接口 - 加工中心
• 手动快换系统 - 车床

Coromant Capto®是多任务机床的最常见接口，因为它既适合固定 (车削) 应用，又适合旋转 (铣削/钻削) 应用。

不同机床类型的机床主轴建议

加工中心 (仅限旋转应用)

建议使用法兰面面接触的主轴接口。对于加工中心中的大多数旋转应用，BIG-PLUS®和HSK-A都能提供足够好的稳定性。对于重载应用，应在HSK-A 125或SK60等较大尺寸接口之前优先考虑使用Coromant Capto® C10。对于高转速应用，应考虑使用HSK-E或F。

多功能机床 (固定和旋转应用)

Coromant Capto®接口是唯一能够满足在车削和旋转应用时，所需的扭矩和抗弯刚性要求。

可提供不同的夹紧机构解决方案，包括主轴接口的制造。山特维克可乐满与多家机床制造商积极合作，使得Coromant Capto®接口得以集成到各家机床上。我们的主要关注的是Coromant Capto®能够发挥最大效用的以下机床类型和接口。

* 大型车削中心上的长镗杆应用

夹紧力比较

空心锥柄的内部涨爪夹紧方式 (HSK和Coromant Capto®) 可提供比7/24锥柄拉钉的方式更高的夹紧力。表中所示为各接口推荐的夹紧力。Coromant Capto®更大的截面面积和接口长度能够承受比HSK-A高得多的夹紧力。

资料来源：1999年版HSK手册。
Big Daishowa (BIG-PLUS主轴系统。)

Coromant Capto®

HSK-A

7/24锥柄 (SK)

7/24锥柄 - 布置在大直径上的驱动键能够为旋转应用提供理想的驱动

HSK-A - 小接触面积，并且位于锥柄上的驱动槽而不是法兰直径 (小半径) ，因此不建议用于高扭矩应用。

Coromant Capto® - 车削应用要求中心定位精度，在这种情况下，多边形驱动可发挥最佳能力。

接口尺寸将对抗弯刚度和最高转速做出限制。大尺寸接口可提供良好的抗弯刚度但允许的转速较低，小尺寸接口允许的转速较高但抗弯刚度较低。

下图所示为脱离端面接触约束(抗弯刚度) 以及达到疲劳极限 (最大扭矩) 时，理论 (FEA) 计算得到的各种接口的极限。

蓝色：最大弯矩 (Nm)

红色：疲劳极限内的最大扭矩 (Nm)

BIG-PLUS®和HSK能够为大多数旋转应用提供足够高的稳定性，但是，对于多任务机床而言，Coromant Capto®是能够满足扭矩和抗弯刚性要求的唯一接口。

比较抗弯刚性和抗扭力的静态试验

久负盛名的德国亚琛工业大学 (RWTH Aachen University) 在机床实验室 (WZL) 中进行了一系列的静态试验来比较不同主轴接口的弯曲刚性和抗扭力。

通过两种夹紧力对Coromant Capto®进行了测试：第一次与HSK-A相同 (C6为22 KN，C10为50 KN)，第二次采用更高的标准夹紧力 (C6为45 KN，C10为80 KN)。

弯矩稳定性

偏斜 [mm/m]

弯矩 [Nm]

C6 - 45 kN
C6 - 22 kN
HSK-A 63 - 22 kN
7/24锥柄，规格40 - 15 kN

弯矩稳定性

偏斜 [mm/m]

弯矩 [Nm]

C10 - 80 kN
C10- 50 kN
HSK-A 100 - 50 kN
7/24锥柄，规格50 - 25 kN

结果表明，即使采用与HSK-A相同的夹紧力，更牢固的接口还是表现出更高的抗弯曲刚性；但当采用更高的夹紧力时，倾复力却比HSK-A 63高出2.88倍 (C6)，比HSK-A 100高出2.15倍 (C10)。

扭矩稳定性

偏斜 [mm/m]

扭矩 [Nm]

C6- 46 kN
HSK-A 63 - 22 kN
7/24锥柄，规格40 - 15 kN

扭矩稳定性

偏斜 [mm/m]

扭矩 [Nm]

C10- 50 kN
HSK-A 100 - 50 kN
7/24锥柄，规格50 - 25 kN

图表表明，Coromant Capto® C6的抗扭力比HSK-A 63高出2.29倍，扭转角高出7.1倍。C10的相应图表明，其抗扭力和扭转角分别比HSK-A 100高出1.85倍和4.0倍。