HSK刀柄简介

在高速切削加工已成为机械加工制造技术重要的环节。传统的BT刀具系统的加工性能已难以满足高速切削的要求。目前高速切削应用较广泛的有德国的HSK （德文Hohl Shaft Kegel缩写）刀具系统、美国的KM 刀具系统、日本的NC5、BIG-PLUS刀具系统等以上皆属于两面拘束刀柄。

而刀具系统能在高速下进行切削加工，应满足以下基本条件：

1. 较高的系统精度

系统精度包括系统定位夹持精度和刀具重复定位精度，前者指刀具与刀柄、刀柄与机床主轴的连接精度；后者指每次换刀后刀具系统精度的一致性。刀具系统具有较高的系统精度，才能保证高速加工条件下刀具系统应有的静态和动态稳定性。

2. 较高的系统刚度

刀具系统的静、动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚度不足会导致刀具系统振动，从而降低加工精度，并加剧刀具的磨损，降低刀具的使用寿命。

3. 较好的动平衡性

高速切削加工条件下，微小质量的不平衡都会造成巨大的离心力，在加工过程中引起机床的急剧振动。因此，高速刀具系统的动平衡非常重要。

二、HSK工具系统标准的制订

从1987年开始，由德国阿亨工业大学机床实验室以及一些工具制造厂、机床制造厂、用户企业等30多个单位成立了专题工作组，在M.Weck教授领导下开始了新型工具系统的研究开发工作。经过第一轮研究，工作组于1990年7月向德国工业标准组织提交了「自动换刀空心柄」标准建议。德国于1991年7月公布了HSK刀具系统的DIN标准草案，并向国际标准化组织建议制定相关ISO标准。1992年5月，国际标准化组织ISOT/TC29（工具技术委员会）决定暂不制订自动换刀空心柄的ISO标准。经过工作组的第二轮研究，德国于1993年制定了HSK工具系统的正式工业标准DIN69893。1996年5月，在ISO/TC29/WG33审议会上，制订了以DIN69893为基础的HSK刀具系统的ISO标准草案ISO/DIS12164。经过多次修订后，于2001年颁布了HSK刀具系统正式ISO标准ISO12164。

三、HSK刀具的规格与型式

四、HSK刀柄型式

五、HSK刀柄规格分布

六 HSK刀柄的性能数据

能承受的最大弯矩、扭矩以及使用的最高转速。而这些性能数据与应用的条件(如夹紧方式和夹紧力)有关，也与制造刀柄所用的材料和热处理工艺等因素有关。例如使用渗碳钢制造的小规格刀柄，由于在锥柄部分的壁厚很薄，会出现淬透的可能，使刀柄承受动态载荷的能力大大降低。?

承载弯矩的能力与夹紧力有关

刀柄上承受的弯矩是由横向作用在刀具上的力产生的。刀柄的弯矩承载能力是在弯矩作用下使刀柄法兰接触面的一边开始分离时的弯矩值，从这个临界弯矩值开始，弯矩—变形特征曲线的走向明显变陡，表明刀柄装夹的连接强度迅速降低。在接近临界点时，连接强度已经不够，尽管此时刀柄的法兰面与主轴端面还保持全面接触，但弯矩已接近使两者分离的临界值。这个临界弯矩的大小主要取决于拉紧力，因此加大拉紧力可以提高最大弯矩。这一点对悬伸较长的刀具有特殊的意义，此时一个较小的切削力就会产生较大的弯矩。但是加大拉紧力会增加作用在刀柄夹紧斜面上的总载荷，尤其是在高使用传速下，由于离心力的作用，内部夹爪所施加的夹紧力随之增加，致使夹紧的可靠性得以提高，但另一方面却使刀柄最薄的部位承受很大的载荷，导致刀柄损坏。?

如何确定对扭矩的承载能力

在大负荷铣削时会产生很大的切削力和扭矩，HSK刀柄必须能承受、传递这样的扭矩。为了确定刀柄最大扭矩的承载能力，特进行了静态和动态载荷试验。试验时，逐渐增加扭矩直至刀柄失效。由用不同材料制造的HSK63号刀柄的扭转—变形曲线可见，在载荷的作用下，刀柄先处在弹性变形阶段，之后进入装夹的承载阶段，曲线较为平坦，这是由于在刀柄与主轴的接触面之间存在着摩擦力，形成很高的扭转刚性。在克服这个摩擦扭矩后，刚性随之下降。继续增加载荷，传动键开始承受扭矩，直至刀柄损坏。由此可见，损坏扭矩的大小与材料密切相关。如能正确选用材料，则可明显提高刀柄的承载能力。为了确定刀柄的最大扭矩承载能力，仅做静态试验还不够，在切削加工中所产生的动态激振的持续作用下，刀柄承受扭矩的能力明显下降。表中列出了不同材料制造的HSK63号刀柄的极限扭矩承载值。由表可以看出，对于所有的材料动态承载能力大的只有静态试验时的7%。?

表 HSK63号刀柄的承载性能

HSK-63 A-C型刀柄夹紧力：15KN，18KN，21KN

法兰端面分离弯矩：420Nm，460Nm，510Nm

滑动扭矩：115～155Nm，138～186Nm，161～218Nm

静态试验破坏扭矩：2200Nm(16MnCr5,56HRC)，2400Nm(41Cr4,53HRC)，3300Nm(X46Cr13,53HRC)

动态试验破坏扭矩：1600Nm(16MnCr5,56HRC)，1800Nm(41Cr4,53HRC)，2400Nm(X46Cr13,53HRC)

最高使用转速：22500r/min(最小过盈配合)，27500r/min(最大过盈配合)?

对于E型结构(不带键槽)的HSK刀柄，可传递的最大扭矩是靠刀柄与主轴之间的摩擦实现的，其大小除与锥度配合精度之差有关外，还取决于拉紧力。一个HSK63号刀柄的滑动扭矩在按照DIN标准推荐的18KN拉紧力情况下为138～186Nm，如果把拉紧力提高到21KN，滑动扭矩大约可提高20%，达161～218Nm。?

用有限元模拟法确定最大转速

为了确定刀柄使用的最大转速，应用了有限元模拟法。它可以确定刀柄和主轴在高速旋转时胀大的程度，并可呈现夹紧部位的变化状况。因为主轴孔比HSK刀柄胀得更大，在高转速下，主轴与刀柄之间的夹紧配合(连接)被放松了，接触的端面也出现间隙，使径向约束刀柄的能力完全丧失，刀柄可在主轴孔里晃动。刀柄 内部所受的夹紧载荷的大小和分布除了与切削负荷和转速有关外，还与夹紧系统和拉紧力有关。把使刀柄丧失径向定位或应力超过材料允许应力的转速规定为刀柄允许的最大转速。在高的转速下，不仅主刀柄的平衡很重要，而且整个工具系统的平衡也很重要，因为即使工具系统的每一个组件是平衡好的，由于制造公差，在组成工具系统后仍可能不平衡。?

HSK作为一个高性能的安全的刀柄已得到了应用，其结构参数将很快成为国际标准。

为了避免过载，在实际使用中，准确了解HSK刀柄对弯矩、扭矩的最大承载能力和使用的最高转速，无论对用户还是刀柄的制造厂商都很有必要，以便针对具体的使用条件选用正确的HSK刀柄尺寸和结构，做到合理、安全地使用。

七、结论

台中精机产品除立式中心机Vc-85B，新开发之五轴加工中心机Vc-X300亦采用HSK-A63刀具，优点如下：

1.高刚性

2.绝佳轴向定位精度

3.绝佳扭力传输

4.重复精度佳

5.刀把经动平衡校正达 G2.5