车铣复合加工中心作为高档数控装备的核心，已广泛应用于航空、航天、汽车和精密模具等行业，对提升制造效率与加工精度发挥着重要作用。而主轴刀柄作为连接机床主轴与数控刀具的关键部件，其制造精度直接决定了装备的整体性能与最终工件的加工质量。本文对国产五轴车铣复合主轴刀柄和数控刀具的研发进行了简要介绍，希望对从事数控机床装备加工行业人士提供一些参考价值。

五轴车铣复合加工技术发展与应用

五轴车铣复合加工装备在汽车制造、航空航天、医疗器械以及精密模具等行业中发挥着重要作用，其复杂的异形零件加工能力更是得到了充分展现。车铣复合工艺作为现代制造业的核心技术，将不断创新与进步，为我国制造业的转型升级与高质量发展提供坚实的技术支撑。

车铣复合加工中心根据结构与功能差异，可分为卧式车铣复合加工中心、立式铣车复合加工中心、立卧转换式铣车复合加工中心以及万能五轴立卧车铣复合加工中心等主要构型。其中，卧式车铣复合加工大多由车削中心实现，通过在刀架上集成动力头或单摆头主轴刀柄来赋予铣削能力。而五轴车铣复合加工中心主要分为摆头式和摇篮式两类，一般大型设备常常采用摆头式结构，小型立式设备则以摇篮式更为常见。

图1   国产五轴卧式铣车复合加工中心 拷贝

在这些复合加工装备中，车铣复合刀柄作为核心的刀具夹持系统，集车削与铣削功能于一体，直接关系到加工效率与精度。其典型应用场景主要包括以下领域：在航空航天领域，用于飞机引擎叶片、机身结构件等高强度、高精度复杂零件的加工；在汽车制造领域，适用于发动机缸体、曲轴以及变速器齿轮等需大批量、高精度生产的零件；在医疗器械领域，用于加工手术器械、植入物等对表面质量与精度要求极高的产品；在模具制造领域，用于注塑模具、压铸模具等复杂模具零件的高光洁度与高精度加工；在通用机械领域，如轴承座、轴套等轴类零件，可一次性完成车铣复合工艺，简化流程。在这些应用场景中，高精度车铣复合刀柄为加工过程的稳定性与最终零件的精度提供了关键保障，是实现高效、高质量复合加工的重要基础。

卧式与立式铣车复合加工中心常常通过单摆头主轴夹持HSK-T、CAPTO等车铣复合刀柄，实现在主轴旋转下进行铣削，并通过主轴定向切换完成车削功能。而BMT刀盘伺服动力刀架作为另一类核心部件，普遍遵循VDI快换刀座规范，其通过夹紧块固定带齿锥刀柄，具有换刀迅速的特点，广泛应用于轴向或径向安装的刀塔。然而，VDI刀盘因采用便于插拔的松配合安装方式，存在配合间隙，影响加工精度；同时受结构限制，锁紧块尺寸较小且仅靠单一螺钉固定，导致夹持刚性不足、易产生振动，进而制约了机床整体加工性能的提升。

图2  五轴卧式铣车复合加工中心主轴刀柄与动力刀座

车铣复合数控刀柄刀具的技术难点

1.车铣复合刀柄的分类

车铣复合加工中心主轴刀柄包括铁削类刀柄和车削类刀柄两大类。铁削类刀柄等同于普通加工中心用刀柄，如常见的弹簧夹头刀柄、强力刀柄、液压刀柄、旋压刀柄、热涨刀柄、钻夹头刀柄、攻丝夹头刀柄和镗刀刀柄系列等。车削类刀柄的特点是，只有工件旋转，刀柄不旋转。 根据车床主轴锥柄规格，主要有三种类型: BBT（BIG-PLUS）、CAPTO和HSK-T。 

其中，BBT是在原7:24锥度的BT刀柄根底上开发的两面定位连接系统； CAPTO是采用1:20锥度的三棱锥构造的两面定位连接系统； HSK-T基于HSK-A （1:10锥度）系列，为了满足车削加工的要求而改良的车铣复合刀柄类型。其在原有的HSK-A根底上， 更加严格地控制传动键槽宽公差，为改善车削时刀尖高度变化的问题而开发的。作铣削加工时，可通用HSK-A系列刀柄。 

以上三种类型车铣复合车削刀都已实现标准化与系列化，且在构造上采用模块化设计；在满足用户多种加工需求的同时，解决了车削加工中心因刀尖崩损导致刀柄损坏的问题，实现高效化和低成本。 

2.常用铣削类刀柄的特点分析

弹簧夹头ER刀柄具有通用性强、价格经济、耐用稳定及抗冲击性好的特点，属于低端经济型通用刀柄，适用于粗加工和半精密加工场景。热缩刀柄通常采用不锈钢整体加工成型，具有同轴度高、高速跳动小的优势，适用于多种加工场景，尤其适合高速精密加工。但需配合热缩机使用，且总体成本较高。其高功率型号对电主轴的稳定性和可靠性有较高要求。旋压刀柄与强力刀柄更适合强力开粗的加工需求。液压刀柄则定位于中高端市场，性能介于普通刀柄和高档热缩刀柄之间。

液压刀柄通过液压介质实现刀具夹持，其工作原理是利用梯形扳手拧紧尾部螺钉，驱动内部活塞挤压液压油产生均匀的径向压力，从而夹紧刀具。这种设计使其兼具高精度与强夹持力——夹持力可达20  000~25  000  N，夹持精度达0.003  mm，同轴度控制在0.002~0.005 mm范围内。同时，液压刀柄表现出优异的抗振性，高速切削时振动幅度比旋压刀柄低40%以上，使用寿命也更长，可达旋压刀柄的2~3倍。操作简便且性能优越，使其广泛适用于各类高精度加工场景。

旋压刀柄采用机械旋转压紧方式，通过螺纹结构产生径向压力，其夹持力通常在12  000~15  000  N之间，适用于常规加工需求。该刀柄结构简单、维护方便，夹持精度可达0.005~0.01  mm，在一般加工场景中表现出良好的稳定性。此外，其购置成本相对较低，市场价位多在1000~3000元区间，因此成为许多小型加工企业的经济实用之选。

在适用场景方面，旋压刀柄主要适用于普通精度零件的常规切削加工，而液压刀柄则更适用于精密零件加工及高速切削场合，尤其在转速超过15 000 r/min的应用中表现优异。因此，若对加工精度、稳定性及工具寿命有较高要求，液压刀柄是更合适的选择；而对于精度要求较低且预算有限的常规加工需求，旋压刀柄则具有更好的经济性。    

旋压刀柄的优势表现在：完整独立的阻尼抗震系统所带来的是刀柄比液压刀柄更强大的抗震性能，有利于保护主轴；通过1：16的力矩转换，旋压强力夹持可产生更高效的强力切削效率；通过蜗轮蜗杆筒夹设计，比强力刀柄带来更高的旋转精度。

图3   五轴铣车复合加工中心通用主轴刀柄

3.车铣复合主轴刀柄选型原则

常用的车铣复合刀柄，如HSK-T、BBT、CAPTO系列，均采用端面与锥面双重过定位结构，以实现精确的定位与夹持，从而将主轴刀柄的跳动量控制在最小范围。为充分发挥车铣复合加工中心的多功能优势，需结合具体加工工况与工艺要求，在刀具选型时系统考量由刀柄、转接柄、切削头及刀片组成的整体“刀具系统”。其中，必须确保该系统在装配后的总长度与重量处于加工中心承载范围内，避免刀具从刀库调出时与机床发生干涉碰撞，这是对安装在第一刀库中刀具的基本要求，也是刀具选型时需首要关注的关键点。

其次，在车铣复合加工中，加工中心配备的高压与超高压内冷功能能显著提升加工质量、切削线速度及刀具使用寿命，因此具备内冷结构的刀具成为首选。实践表明，采用相同材质的刀片加工钛合金时，配合高压内冷可使线速度提升10  m/min，而采用超高压内冷更可提升15  m/min，使切削速度接近刀片的极限性能。同时，高压冷却液能迅速带走切削热量，降低刀片前刀面与工件已加工表面的温度，从而有效提升加工表面质量、控制由切削热引起的工件变形，并更稳定地保证工件几何尺寸。此外，刀具寿命在高压内冷条件下普遍可提升至少20%。

第三，主轴刀柄与转接柄、转接柄与切削头之间的联接方式是决定“刀具系统”刚性与切削能力的关键因素，尤其在进行较深内孔车削和重载铣削时，不同的联接方式会直接影响切削效果。以某钛合金零件加工实践为例，初期采用螺钉联接的车刀进行内孔车削时曾出现明显的振刀现象，影响了零件加工质量；后更换为Capto联接结构后，切削过程显著趋于平稳，零件质量得以保证。除Capto外，KM、液压以及热胀等多种形式的联接结构也能够有效提升刀具系统整体刚性，从而实现更平稳、高效的切削过程。

图4  高速加工中心用高精度热涨刀柄

车铣复合刀数控柄刀具研制与测试

1.车铣复合刀柄材料及力学性能

大中型卧式五轴车铣复合加工中心的HSKA 100与HAK A63-T刀柄主体采用热作模具钢H13（牌号4Cr5MoSiV1）制造。H13是应用较为广泛且具有代表性的热作模具钢，具有高淬透性、高韧性以及优良的抗热裂能力，可在工作过程中进行水冷；其具备中等耐磨损性，并能通过渗碳或渗氮工艺提升表面硬度，但会相应降低抗热裂性能。该材料含碳量较低，二次硬化能力一般，但在较高温度下仍保持抗软化能力，不过当温度超过540℃时硬度会迅速下降。此外，H13热处理变形小，抗脱碳能力中等，适合中到高强度的切削加工。

在退火状态下，H13硬度可达205～245  HB；经淬火处理后硬度可达HRC48-52，对应强度范围为1503.1  MPa（HRC46）至1937.5  MPa（HRC52）。其典型真空热处理工艺流程为：抽真空5  min→升温至670℃（45  min）→保温15  min→继续升温至1130 ℃（230  min）→保温20  min→降温至70 ℃（150  min）→出炉。

2.车铣复合刀柄制造关键工艺流程

表1为国产五轴铣车复合主轴刀柄制造工业流程。  

3．车铣复合刀柄刀具测试案例

表2为国产铣车复合刀柄及刀具在各行业的典型应用，从切削参数和应用验证寿命对比来看，国产铣车复合的刀柄制造精度、刀具结构形式、刀具材料与切削参数合理设计已基本达到国际同等水平。

4．国产车铣复合数控刀柄刀具工程应用

如图5所示为开发的国产车铣复合刀柄刀具应用与大中型五轴卧式铣车复合加工中心及五轴龙门加工中心上的应用案例。如图6所示为碳纤维复合材料轮廓铣削菠萝密齿铣刀系列，其头部采用圆环槽双重定位，定位精度高大的齿隙张角，加工过程中材料排屑顺畅W形钻尖设计，避免了材料出口处毛刺现象细颗粒金刚石涂层，提高了刀具表面的润滑性，降低了加工时的钻削阻力，从而产品内壁表面粗糙度好，孔径偏差小；设计上针对高效加工时防止振刀的多刃和左右旋槽设计，使其具有极多的切削刃数量，粗加工去量时加工效率高。

图5  国产车铣复合刀柄现场配备应用案例

如图6所示钛合金开粗用高效波纹铣刀与曲面铣削镶齿铣刀系列直径包含10/12/16/20/25  mm五个系列，直径16  mm波纹铣刀加工钛合金切削采用2000~2500  r/min ,进给速度300~600  r/min，切削宽度为刀具直径的10%~50%，切削深度可达到2D刀具直径，其暴力开粗比传统大进给铣刀效率高2~3倍以上。以D30R3刀具为例子，切削宽度为22 mm，切削深度为0.5 mm，进给速度为1500  mm/min;采用直径20  mm波刃铣刀，切削宽度为2~6  mm,切削深度为20  mm,进给速度为750  mm/min,切削宽度3  mm平稳切削的效率金属除去率为大进给铣刀的1.5倍，切削宽度为4  mm时，金属除去率为大进给铣刀的2倍；但是高效率带来的就是较大的变形，需要合理考虑工艺余量及变形控制措施。

图 6  碳纤维复合材料与钛合金加工国产数控刀具系列

如图7所示为开发的车铣复合主轴刀柄，分别在五轴卧式铣车复合加工中心、五轴卧式加工中心、五轴龙门加工中心上完成的铝合金、钛合金与不锈钢等航空航天典型复杂构件的高效精密铣削、车削及钻铣等加工的应用验证；实践证明，研制出的车铣复合刀柄在跳到精度、切削稳定可靠性及切削耐用性等方面的综合水平达到了国外同等先进水平。    

图7  国产车铣复合主轴刀柄典型五轴加工装备应用案例

小结

 本文对五轴车铣复合典型装备应用及各类车铣复合主轴刀柄结构形式特点进行了简要介绍，重点对车铣复合主轴刀柄和数控刀具的研制过程进行了详细阐述，以铝合金、钛合金和高温合金等航空航天典型构件的加工实际案例的形式证明了国产数控刀柄和数控刀具的技术的进步提升，达到了国际同等先进水平。希望对于推动国产高档数控机床装备的整体研发和应用整体水平提供参考借鉴作用。

文| 王华侨  陈海洋  张文鹏  张守明  赵华军  蔡振华  湖北三江航天红阳机电有限公司

     谭文清  阳小慧  李树强  张晓宁  宋  丁  李湘坚  株洲欧科亿数控精密刀具股份有限公司