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刀柄熱脹儀是一種連接主軸和刀具的中間夾持元件，刀具和刀柄熱脹儀之間不介入任何零件。夾持刀具時，利用熱感應裝置使刀柄熱脹儀的夾持部分在短時間加熱至 250°C~425°C，待其內徑擴張至超過刀具被夾持部分的直徑時，迅速將刀具裝入刀柄熱脹儀內，刀柄熱脹儀冷卻收縮時，刀具與刀柄熱脹儀形成過盈配合，以此實現刀柄對刀具的可靠、高精度有效夾持。與彈性夾頭相比，刀柄熱脹儀由于是由刀柄單體構成，沒有零件組合帶來的精度降低，并且是依靠金屬的收縮方式夾持刀具，比機械性收縮方式離散度小，精度穩定性高。
另外，刀柄熱脹儀具有較高的夾持扭矩、高彎曲剛性及高的動平衡性。為了達到增加金屬去除率和延長刀具壽命的目的，例如鋁合金的加工，隨著熱縮技術的應用，強力刀柄熱脹儀也被擴展使用到粗加工上。歸功與其外形加固，抗震性能更強，跳動精度繼續保證小于0.003mm。具有高剛性外形尺寸和加強夾持壁厚的重型刀柄熱脹儀可以再高要求的加工重也游刃有余。例如，再航空航天業的鈦合金加工和重工業中得到廣泛應用。另外，為了滿足在模具和醫療工業中的較深型腔的五軸加工，特別設計頂端斜度為3°的刀柄熱脹儀。這種刀柄前端壁厚很薄，后端為加厚結構。因此可在高效切削中裝夾錐度刀具或加長刀具。
刀柄熱脹儀的夾持力由刀柄熱縮夾頭和刀具的過盈配合產生，夾持力的大小主要受接觸壓力和接觸面積的影響。在夾持長度一定的條件下，過盈量、刀柄壁厚以及轉速三方面主要因素共同影響接觸壓力的大小。通過分析單因素條件可知：接觸壓力隨基本過盈量的增加而增加；由于刀具的剛度大于熱縮夾頭結構的剛度，刀具受離心力小于熱縮夾頭收到的離心力，故相同主軸轉速下熱縮夾頭內孔徑向擴張量大于刀具擴張量，從而減小過盈量，使夾持力相對減小。
刀柄壁厚對夾持力的影響主要是雙因素或三因素綜合作用來體現：在相同轉速、相同初始過盈量條件下，壁厚越大接觸壓力越大。一定主軸轉速下，熱縮夾頭內孔擴張量與夾頭外壁壁厚正相關，考慮到整個夾頭模型為錐體結構，熱縮夾頭內孔面小端到大端沿軸向的擴張量逐漸變大而形成喇叭口狀。在轉速4000r/min的條件下，4.5°和3°的刀柄熱脹儀在各自接觸面上接觸壓力分布不均，這是由于熱縮夾頭外壁圓錐上各點直徑不同，徑向變形及徑向間隙是非均勻的。表現為在軸向方向上隨熱縮夾頭壁厚的增大，接觸壓力逐漸變大。對比不同壁厚熱縮夾頭的接觸面接觸壓力，可見厚壁熱縮夾頭刀柄4.5°的接觸壓力較薄壁熱縮夾頭刀柄3°要大。
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