hsk刀柄

從1987年開(kāi)始，由德國(guó)阿亨工業(yè)大學(xué)機(jī)床實(shí)驗(yàn)室以及一些工具制造廠、機(jī)床制造廠、用戶(hù)企業(yè)等30多個(gè)單位成立了專(zhuān)題工作組，在M.Weck教授領(lǐng)導(dǎo)下開(kāi)始了新型工具系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)工作。經(jīng)過(guò)第一輪研究，工作組于1990年7月向德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織提交了「自動(dòng)換刀空心柄」標(biāo)準(zhǔn)建議。德國(guó)于1991年7月公布了HSK刀具系統(tǒng)的DIN標(biāo)準(zhǔn)草案，并向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織建議制定相關(guān)ISO標(biāo)準(zhǔn)。1992年5月，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISOT/TC29（工具技術(shù)委員會(huì)）決定暫不制訂自動(dòng)換刀空心柄的ISO標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)工作組的第二輪研究，德國(guó)于1993年制定了HSK工具系統(tǒng)的正式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN69893。1996年5月，在ISO/TC29/WG33審議會(huì)上，制訂了以DIN69893為基礎(chǔ)的HSK刀具系統(tǒng)的ISO標(biāo)準(zhǔn)草案ISO/DIS12164。經(jīng)過(guò)多次修訂后，于2001年頒布了HSK刀具系統(tǒng)正式ISO標(biāo)準(zhǔn)ISO12164。

在高速切削加工已成為機(jī)械加工制造技術(shù)重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的BT刀具系統(tǒng)的加工性能已難以滿(mǎn)足高速切削的要求。

而刀具系統(tǒng)能在高速下進(jìn)行切削加工，應(yīng)滿(mǎn)足以下基本條件：

1. 較高的系統(tǒng)精度

系統(tǒng)精度包括系統(tǒng)定位夾持精度和刀具重復(fù)定位精度，前者指刀具與刀柄、刀柄與機(jī)床主軸的連接精度；后者指每次換刀后刀具系統(tǒng)精度的一致性。刀具系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)精度，才能保證高速加工條件下刀具系統(tǒng)應(yīng)有的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

2. 較高的系統(tǒng)剛度

刀具系統(tǒng)的靜、動(dòng)剛度是影響加工精度及切削性能的重要因素。刀具系統(tǒng)剛度不足會(huì)導(dǎo)致刀具系統(tǒng)振動(dòng)，從而降低加工精度，并加劇刀具的磨損，降低刀具的使用壽命。

3. 較好的動(dòng)平衡性

高速切削加工條件下，微小質(zhì)量的不平衡都會(huì)造成巨大的離心力，在加工過(guò)程中引起機(jī)床的急劇振動(dòng)。因此，高速刀具系統(tǒng)的動(dòng)平衡非常重要。

如圖1、2所示所示為6種不同形式的HSK刀柄

能承受的最大彎矩、扭矩以及使用的最高轉(zhuǎn)速。而這些性能數(shù)據(jù)與應(yīng)用的條件(如夾緊方式和夾緊力)有關(guān)，也與制造刀柄所用的材料和熱處理工藝等因素有關(guān)。例如使用滲碳鋼制造的小規(guī)格刀柄，由于在錐柄部分的壁厚很薄，會(huì)出現(xiàn)淬透的可能，使刀柄承受動(dòng)態(tài)載荷的能力大大降低。

hsk刀柄與夾緊力

刀柄上承受的彎矩是由橫向作用在刀具上的力產(chǎn)生的。刀柄的彎矩承載能力是在彎矩作用下使刀柄法蘭接觸面的一邊開(kāi)始分離時(shí)的彎矩值，從這個(gè)臨界彎矩值開(kāi)始，彎矩—變形特征曲線(xiàn)的走向明顯變陡，表明刀柄裝夾的連接強(qiáng)度迅速降低。在接近臨界點(diǎn)時(shí)，連接強(qiáng)度已經(jīng)不夠，盡管此時(shí)刀柄的法蘭面與主軸端面還保持全面接觸，但彎矩已接近使兩者分離的臨界值。這個(gè)臨界彎矩的大小主要取決于拉緊力，因此加大拉緊力可以提高最大彎矩。這一點(diǎn)對(duì)懸伸較長(zhǎng)的刀具有特殊的意義，此時(shí)一個(gè)較小的切削力就會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩。但是加大拉緊力會(huì)增加作用在刀柄夾緊斜面上的總載荷，尤其是在高使用傳速下，由于離心力的作用，內(nèi)部夾爪所施加的夾緊力隨之增加，致使夾緊的可靠性得以提高，但另一方面卻使刀柄最薄的部位承受很大的載荷，導(dǎo)致刀柄損壞。

hsk刀柄承載能力

在大負(fù)荷銑削時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的切削力和扭矩，HSK刀柄必須能承受、傳遞這樣的扭矩。為了確定刀柄最大扭矩的承載能力，特進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，逐漸增加扭矩直至刀柄失效。由用不同材料制造的HSK63號(hào)刀柄的扭轉(zhuǎn)—變形曲線(xiàn)可見(jiàn)，在載荷的作用下，刀柄先處在彈性變形階段，之后進(jìn)入裝夾的承載階段，曲線(xiàn)較為平坦，這是由于在刀柄與主軸的接觸面之間存在著摩擦力，形成很高的扭轉(zhuǎn)剛性。在克服這個(gè)摩擦扭矩后，剛性隨之下降。繼續(xù)增加載荷，傳動(dòng)鍵開(kāi)始承受扭矩，直至刀柄損壞。由此可見(jiàn)，損壞扭矩的大小與材料密切相關(guān)。如能正確選用材料，則可明顯提高刀柄的承載能力。為了確定刀柄的最大扭矩承載能力，僅做靜態(tài)試驗(yàn)還不夠，在切削加工中所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)激振的持續(xù)作用下，刀柄承受扭矩的能力明顯下降。表中列出了不同材料制造的HSK63號(hào)刀柄的極限扭矩承載值。由表可以看出，對(duì)于所有的材料動(dòng)態(tài)承載能力大的只有靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)的70%。

表 HSK63號(hào)刀柄的承載性能

HSK-63 A-C型刀柄夾緊力：15KN，18KN，21KN

法蘭端面分離彎矩：420Nm，460Nm，510Nm

滑動(dòng)扭矩：115～155Nm，138～186Nm，161～218Nm

靜態(tài)試驗(yàn)破壞扭矩：2200Nm(16MnCr5,56HRC)，2400Nm(41Cr4,53HRC)，3300Nm(X46Cr13,53HRC)

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)破壞扭矩：1600Nm(16MnCr5,56HRC)，1800Nm(41Cr4,53HRC)，2400Nm(X46Cr13,53HRC)

最高使用轉(zhuǎn)速：22500r/min(最小過(guò)盈配合)，27500r/min(最大過(guò)盈配合)

對(duì)于E型結(jié)構(gòu)(不帶鍵槽)的HSK刀柄，可傳遞的最大扭矩是靠刀柄與主軸之間的摩擦實(shí)現(xiàn)的，其大小除與錐度配合精度之差有關(guān)外，還取決于拉緊力。一個(gè)HSK63號(hào)刀柄的滑動(dòng)扭矩在按照DIN標(biāo)準(zhǔn)推薦的18KN拉緊力情況下為138～186Nm，如果把拉緊力提高到21KN，滑動(dòng)扭矩大約可提高20%，達(dá)161～218Nm。

用有限元模擬法確定最大轉(zhuǎn)速

為了確定刀柄使用的最大轉(zhuǎn)速，應(yīng)用了有限元模擬法。它可以確定刀柄和主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)脹大的程度，并可呈現(xiàn)夾緊部位的變化狀況。因?yàn)橹鬏S孔比HSK刀柄脹得更大，在高轉(zhuǎn)速下，主軸與刀柄之間的夾緊配合(連接)被放松了，接觸的端面也出現(xiàn)間隙，使徑向約束刀柄的能力完全喪失，刀柄可在主軸孔里晃動(dòng)。刀柄 內(nèi)部所受的夾緊載荷的大小和分布除了與切削負(fù)荷和轉(zhuǎn)速有關(guān)外，還與夾緊系統(tǒng)和拉緊力有關(guān)。把使刀柄喪失徑向定位或應(yīng)力超過(guò)材料允許應(yīng)力的轉(zhuǎn)速規(guī)定為刀柄允許的最大轉(zhuǎn)速。在高的轉(zhuǎn)速下，不僅主刀柄的平衡很重要，而且整個(gè)工具系統(tǒng)的平衡也很重要，因?yàn)榧词构ぞ呦到y(tǒng)的每一個(gè)組件是平衡好的，由于制造公差，在組成工具系統(tǒng)后仍可能不平衡。

HSK作為一個(gè)高性能的安全的刀柄已得到了應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)參數(shù)將很快成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

為了避免過(guò)載，在實(shí)際使用中，準(zhǔn)確了解HSK刀柄對(duì)彎矩、扭矩的最大承載能力和使用的最高轉(zhuǎn)速，無(wú)論對(duì)用戶(hù)還是刀柄的制造廠商都很有必要，以便針對(duì)具體的使用條件選用正確的HSK刀柄尺寸和結(jié)構(gòu)，做到合理、安全地使用。

與被廣泛應(yīng)用的BT(7/24)工具系統(tǒng)相比，HSK工具系統(tǒng)從開(kāi)發(fā)到成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間并不長(zhǎng)，一些理論方面的問(wèn)題還沒(méi)有解決，一些使用中的問(wèn)題還沒(méi)有充分暴露出來(lái)，用戶(hù)對(duì)這種新型工具系統(tǒng)存在一些片面甚至是錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。

HSK工具系統(tǒng)在使用當(dāng)中存在的主要問(wèn)題有：

(1)夾緊系統(tǒng)和夾緊力的使用條件制定不科學(xué)

有關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)生產(chǎn)中的加工中心(機(jī)床)的實(shí)際使用的緊力進(jìn)行過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)由于夾緊系統(tǒng)的選用不當(dāng)或夾緊系統(tǒng)的使用不當(dāng)(如夾緊彈簧的松弛)，大部分機(jī)床的實(shí)際使用的夾緊力只有規(guī)定夾緊力的70%左右，最低的只有30%。這對(duì)高速加工甚至普通加工來(lái)說(shuō)都是十分危險(xiǎn)的。

(2)現(xiàn)有的制造標(biāo)準(zhǔn)存在不合理的方面HSK工具系統(tǒng)的加工要求苛刻，產(chǎn)品價(jià)格昂貴。由于2hi要求苛刻，產(chǎn)品

很難完全達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。瑞士某公司檢測(cè)了國(guó)外15家著名公司生產(chǎn)的HSK刀柄，僅有l(wèi)家公司的產(chǎn)品各項(xiàng)精度完全達(dá)到DIN標(biāo)準(zhǔn)。大量的沒(méi)有完全達(dá)到規(guī)定的制造標(biāo)準(zhǔn)的HSK工具系統(tǒng)仍在正常使用，這說(shuō)明現(xiàn)有的HSK

工具系統(tǒng)的制造標(biāo)準(zhǔn)本身存在不合理的一面。

(3)常規(guī)的強(qiáng)度校核不能保證HSK錐面配合的可靠性要求HSK工具系統(tǒng)與主軸之間采用了錐面和端面同時(shí)夾緊，當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，由于錐面存在過(guò)盈量，錐面會(huì)發(fā)生變形，一旦處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，這種應(yīng)力變形將更加嚴(yán)重，從而使得工具系統(tǒng)的可靠性下降。常規(guī)的強(qiáng)度校核不能保證各種參數(shù)條件離散狀況下刀柄的可靠性要求。

這些問(wèn)題的存在一定程度上影響和制約了HSK工具系統(tǒng)在我國(guó)的推廣和使用，迫切需要我們?cè)谶@些領(lǐng)域開(kāi)展更系統(tǒng)、更全面、更深入的研究工作。2100433B

臺(tái)中精機(jī)產(chǎn)品除立式中心機(jī)Vc-85B，新開(kāi)發(fā)之五軸加工中心機(jī)Vc-X300亦采用HSK-A63刀具，優(yōu)點(diǎn)如下：

1.高剛性

2.絕佳軸向定位精度

3.絕佳扭力傳輸

4.重復(fù)精度佳

5.刀把經(jīng)動(dòng)平衡校正達(dá) G2.5

HSK刀柄

HSK工具系統(tǒng)是一種新型的高速短錐型刀柄，其接口采用錐面和端面同時(shí)定位的方式，刀柄為中空，錐體長(zhǎng)度較短，錐度為1/10，有利于實(shí)現(xiàn)換刀輕型化和高速化。如圖1所示。由于采用空心錐體和端面定位，補(bǔ)償了高速加工時(shí)主軸孔與刀柄的徑向變形差異，并完全消除了軸向定位誤差，使高速、高精度加工成為可能。這種刀柄在高速加工中心上應(yīng)用越來(lái)越普遍。

KM刀柄

該刀柄的結(jié)構(gòu)與HSK刀柄相似，也是采用了空心短錐結(jié)構(gòu)，錐度為1/10，并且也是采用錐面和端面同時(shí)定位、夾緊工作方式。如圖2所示，主要區(qū)別在于使用的夾緊機(jī)構(gòu)不同，KM的夾緊結(jié)構(gòu)已申請(qǐng)了美國(guó)專(zhuān)利，它使用的夾緊力更大，系統(tǒng)的剛度更高。不過(guò)由于KM刀柄錐面上開(kāi)有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的圓弧凹槽(夾緊時(shí)應(yīng)用)，所以相比之下顯得單薄，有些零件的強(qiáng)度較差，而且它需要非常大的夾緊力才能正常工作。另外，KM刀柄結(jié)構(gòu)的專(zhuān)利保護(hù)限制了該系統(tǒng)的迅速推廣應(yīng)用。

NC5刀柄

它也采用了空心短錐結(jié)構(gòu)，錐度為1/10，并且也是采用錐面和端面同時(shí)定位、夾緊工作方式。由于扭矩是由NC5刀柄前端圓柱上的鍵槽傳遞的，刀柄尾部沒(méi)有傳遞扭矩的鍵槽，所以軸向尺寸比HSK刀柄短。它與前面兩種刀柄的最大區(qū)別在于刀柄沒(méi)有采用薄壁結(jié)構(gòu)，刀柄錐面處增加了一個(gè)中間錐套。KM刀柄和HSK刀柄是通過(guò)薄壁的變形來(lái)補(bǔ)償?shù)侗椭鬏S制造誤差，保證錐面和端面同時(shí)可靠的接觸，而NC5刀柄是通過(guò)中間錐套的軸向移動(dòng)達(dá)到這個(gè)目的。中間錐套的軸向移動(dòng)動(dòng)力來(lái)自刀柄端面上的碟形彈簧。由于中間錐套的誤差補(bǔ)償能力較強(qiáng)，因此NC5刀柄對(duì)主軸和刀柄本身的制造精度的要求可稍低些。另外，NC5刀柄內(nèi)僅有一個(gè)安裝拉釘?shù)穆葆斂祝妆谳^厚，強(qiáng)度高，可采用增壓夾緊機(jī)構(gòu)，滿(mǎn)足重切削的要求。這種刀柄的主要缺點(diǎn)是刀柄和主軸錐孔之間增加了一個(gè)接觸面，刀柄的定位精度和剛度有所下降。

CAPTO刀柄

Sandvik公司生產(chǎn)的CAPTO刀柄。這種刀柄的結(jié)構(gòu)不是圓錐形，而是三棱圓錐，其棱為圓弧形，錐度為1/20，并且空心短錐結(jié)構(gòu)，采用錐面與端面同時(shí)接觸定位。三棱圓錐結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向都無(wú)滑動(dòng)的轉(zhuǎn)矩傳遞，不再需要傳動(dòng)鍵，消除了因傳動(dòng)鍵和鍵槽引起的動(dòng)平衡問(wèn)題。三棱圓錐的表面大，使刀柄表面壓力低、不易變形、磨損小，因而精度保持性好。但三棱圓錐孔加工困難，加工成本高，與現(xiàn)有刀柄不兼容，配合會(huì)自鎖。

HSK刀柄采用短錐面和法蘭端面同時(shí)定位，刀柄為中空結(jié)構(gòu)，短錐體錐度為1：10， 刀柄與主軸之間通過(guò)膨脹式彈性?shī)A頭鎖緊。HSK刀柄在工作過(guò)程中的失效形式主要有兩種：一是由于刀柄材料強(qiáng)度不足，在巨大離心負(fù)荷作用下發(fā)生破壞； 二是由于高速旋轉(zhuǎn)降低動(dòng)態(tài)夾緊力，使夾緊系統(tǒng)不能提供足夠的夾緊力以確保切削加工的順利進(jìn)行。因此，對(duì)HSK刀柄臨界使用轉(zhuǎn)速的計(jì)算應(yīng)該從材料強(qiáng)度和夾緊力兩方面進(jìn)行分析。

主要標(biāo)準(zhǔn)有BT、SK、CAPTO、BBT、HSK等幾種規(guī)格的主軸型號(hào)。

BT，BBT，均為日本標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)也是普遍使用的一種標(biāo)準(zhǔn)。

SK（DIN6987）德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)

傳統(tǒng)刀柄，有ER型，強(qiáng)力型，側(cè)固型，平面銑刀型，鉆夾頭，莫氏錐柄

現(xiàn)代有液壓刀柄，熱脹刀柄，PG（冷壓）型。