hsk刀柄HSK工具系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的制訂

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。

從1987年開始，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、用戶企業(yè)等30多個(gè)單位成立了專題工作組，在M.Weck教授領(lǐng)導(dǎo)下開始了新型工具系統(tǒng)的研究開發(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。

如圖1、2所示所示為6種不同形式的HSK刀柄

臺(tái)中精機(jī)產(chǎn)品除立式中心機(jī)Vc-85B，新開發(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

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始分離時(shí)的彎矩值，從這個(gè)臨界彎矩值開始，彎矩—變形特征曲線的走向明顯變陡，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)—變形曲線可見，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)鍵開始承受扭矩，直至刀柄損壞。由此可見，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)題還沒有解決，一些使用中的問(wèn)題還沒有充分暴露出來(lái)，用戶對(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)域開展更系統(tǒng)、更全面、更深入的研究工作。2100433B

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刀柄錐面上開有兩個(gè)對(duì)稱的圓弧凹槽(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?，孔壁較厚，強(qiáng)度高，可采用增壓夾緊機(jī)構(gòu)，滿足重切削的要求。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。