有關于HSK刀柄材料的特殊要求

自HSK空心短錐柄技術出現以來，在世界各國得到廣泛應用。據了解，歐洲和北美洲的一些用戶，在使用HSK刀柄時遇到了一些問題。出現這些問題的主要原因在于，他們對制造HSK刀柄的材料選擇不當。

DIN標準僅規定了HSK刀柄的幾何形狀，而沒有規定所用的材料。所以，幾乎所有的刀具供應商所生產的HSK刀柄，都完全參照傳統的7：24錐柄來生產。HSK空心短錐柄的“空心”本身就說明具有潛在的問題：即軸向截面很小，顯然這是HSK空心短錐柄的薄弱環節。

傳統的刀柄一般是由合金鋼制造，然后或是表面淬火或是表面處理，得到了一個堅硬耐磨的表面和韌性的心部(HRC32～36)。這些熱處理過程(如滲碳和離子氮化，硬度可達HRC58～62，約1mm深)對7：24錐柄非常適合，價格也不貴。由于它具有足夠的橫截面，所以實際上不易變形。按照工業上能夠接受的指導準則，這種尺寸比較穩定的基體把兩種性能完美地結為一體——有較軟而韌性的芯部，可防止硬表面因變形而爆裂脫落，又有很耐磨堅硬的表面。

但對HSK空心短錐柄就不同了，它被做成結構截面很小，對于HSK63以下的小規格HSK空心短錐柄就沒有強韌的心部來支承堅硬的表面，在每次夾緊—松開循環中都要受到很大的沖擊，切削過程中又受到動態的彎扭交變載荷，在淬硬的脆性部位可能會出現微小的裂紋，在HSK刀柄的柄部的一些部位，對較大的拉應力非常敏感。這些部位有30°夾緊面、扭矩傳遞時鍵槽與主軸接觸的表面以及徑向貫穿孔與鍵槽底部、空刀槽底部最近的部位。這些微小的裂紋隨時間而擴展難以發現，事實上不通過顯微鏡和特殊的檢測手段很難發現這些變化。一個刀柄看上去工作正常，一旦過載，在出現裂紋的部位應力集中，當達到臨界值時就很可能發生斷裂。在使用過程中，這種脆性斷裂隨時可能發生。

有些制造廠商用淬透性材料。這時，截面上不同點的性質大體相同，刀柄的延伸率、屈服強度和沖擊強度可能達到最佳組合。但是，相對于表面淬硬的刀柄，其硬度將是最低的(約低5～6HRC)。這種刀柄缺乏沖擊強度，不耐磨，因此不得不經常更換。

所以要想達到最高的韌性、最高的耐磨性和耐腐蝕性的同時，又要成本低廉，這是不可能的。我們不能改變產品的幾何形狀，它是標準的。我們也受大量生產成本的制約，不可能采用昂貴的“空間材料和技術”。為了能使這種具備許多優點的新接口在生產中得到廣泛應用，我們只有不斷地探索。

制造廠商和用戶必須對刀柄材料做出選擇。一種是對材料要求有高的強度、韌性并帶有適度的耐磨性；另一種是要求有高的耐磨性兼有中等強度。

分析結果表明，HSK主軸安裝孔應力最大的橫截面，應具有較大的截面面積，而且盡量不用對應力集中敏感的材料。但必須能適應高速加工，即重量要輕，在離心力作用下徑向變形要小。

在帶有自動換刀的數控加工中心上，典型的工具接口之間的摩擦都有“多個對1個”的比率。就是說，刀柄在換刀循環中僅摩擦一次，而主軸孔則要與完成此工序的許多不同刀柄摩擦很多次。

例如，假定有一臺CNC加工中心的刀庫有32個刀位，而且都在使用。每個工序切削時間為5分鐘，機床每天工作10小時。在同一工件加工中每把刀具只使用一次。這樣，對主軸來講，每天要摩擦120次，而對每把刀柄只有4次。據此可推出，這臺機床工作年限內摩擦次數的比率。這個數字說明主軸摩擦次數比刀柄的摩擦次數要大得多，對任何形式的工具接口都是一樣。

傳統的7：24錐度主軸磨損的結果是成為“喇叭口”，這是一個難以察覺的很緩慢的過程。但是，磨損帶來的結果是刀具振動、跳動增加、刀具軸向定位尺寸發生變化。這時就要重磨主軸孔。要想減低磨損速度，就要用相對低的壓力。

當HSK刀柄被夾緊時，主軸孔與刀柄之間有很大的壓力。由于其錐度系1：10(半角為2°51′27″)——是個自鎖角度，卸刀柄時需要一個附加的卸出力，這對主軸孔也是一個摩擦過程。由于1：10的錐度很小，徑向每磨損0.0025mm，就會影響0.025mm的軸向間隙，這樣也會影響到夾緊機構的夾緊狀態，可能會引起故障。因此，要使HSK主軸磨損盡量減至最小。另外一個重要原因是HSK主軸的價格。由于HSK主軸實際上是不能修的，因為重磨錐度會使錐度直徑超差，并影響到夾緊機構的壓緊位置。又由于它精度要求高，又要用很大長徑比的銑刀加工內驅動鍵，所以它的價格很貴，為延長主軸壽命，刀柄最好用同一種材料制造，建議最小屈服強度應是14000kg/cm2，拉伸強度應為15400kg/cm2。而且應降低刀柄的硬度(平均HRC50)，比主軸硬度低6～8度，以保護昂貴的主軸。這樣，刀柄受力表面硬度下降，也使它的制造周期縮短、成本降低