HSK刀柄的使用與說明

目前在切削加工領域，空心短錐柄(HSK)已越來越普及，這是由于它比7：24大錐度刀柄在精度、剛性和適用高的轉速及換刀方便等方面有明顯的優勢。HSK正式國際標準的公布將使它在更大的范圍內得到各國的承認。但在應用這種新型刀柄時，由于其結構上的特點，還必須掌握有關其承載能力的大小和使用的注意事項，才能保證安全、無故障地工作?

成立制定“HSK—技術規范”工作組

根據需要，在1993年以前，對于空心短錐柄(HSK)只是圍繞各種規格的DIN標準的制訂開展工作，而對如何正確合理使用各種規格的空心短錐柄(HSK)的研究工作考慮不多，只對少量的空心短錐柄(HSK)的規格正確合理使用進行了研究。其原因是，這部分工作超出了當時制訂標準的工作范圍。然而時至今日，為了確保HSK刀柄的推廣和安全合理的應用，有關刀柄正確使用問題顯得十分迫切。通過制訂一個指導性的技術規范，提供具體的使用數據，可以幫助企業合理使用該刀柄。為此，1999年在阿亨工業大學的機床實驗室成立了一個工作組，工作組成員來自世界各國著名的刀具、刀柄制造廠商和HSK的用戶，并在財力上支持這項研究工作。?

工作組的主要任務是確定HSK刀柄的性能數據：能承受的最大彎矩、扭矩以及使用的最高轉速。而這些性能數據與應用的條件(如夾緊方式和夾緊力)有關，也與制造刀柄所用的材料和熱處理工藝等因素有關。例如使用滲碳鋼制造的小規格刀柄，由于在錐柄部分的壁厚很薄，會出現淬透的可能，使刀柄承受動態載荷的能力大大降低。?

承載彎矩的能力與夾緊力有關

刀柄上承受的彎矩是由橫向作用在刀具上的力產生的。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的彎矩值，從這個臨界彎矩值開始，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度迅速降低。在接近臨界點時，連接強度已經不夠，盡管此時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。這一點對懸伸較長的刀具有特殊的意義，此時一個較小的切削力就會產生較大的彎矩。但是加大拉緊力會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，導致刀柄損壞。?

如何確定對扭矩的承載能力

在大負荷銑削時會產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，特進行了靜態和動態載荷試驗。試驗時，逐漸增加扭矩直至刀柄失效。由用不同材料制造的HSK63號刀柄的扭轉—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，形成很高的扭轉剛性。在克服這個摩擦扭矩后，剛性隨之下降。繼續增加載荷，傳動鍵開始承受扭矩，直至刀柄損壞。由此可見，損壞扭矩的大小與材料密切相關。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，僅做靜態試驗還不夠，在切削加工中所產生的動態激振的持續作用下，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號刀柄的極限扭矩承載值。由表可以看出，對于所有的材料動態承載能力大的只有靜態試驗時的7%。?

表 HSK63號刀柄的承載性能

HSK-63 A-C型刀柄夾緊力：15KN，18KN，21KN

法蘭端面分離彎矩：420Nm，460Nm，510Nm

滑動扭矩：115～155Nm，138～186Nm，161～218Nm

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

動態試驗破壞扭矩：1600Nm(16MnCr5,56HRC)，1800Nm(41Cr4,53HRC)，2400Nm(X46Cr13,53HRC)

最高使用轉速：22500r/min(最小過盈配合)，27500r/min(最大過盈配合)?

對于E型結構(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現的，其大小除與錐度配合精度之差有關外，還取決于拉緊力。一個HSK63號刀柄的滑動扭矩在按照DIN標準推薦的18KN拉緊力情況下為138～186Nm，如果把拉緊力提高到21KN，滑動扭矩大約可提高20%，達161～218Nm。?

用有限元模擬法確定最大轉速

為了確定刀柄使用的最大轉速，應用了有限元模擬法。它可以確定刀柄和主軸在高速旋轉時脹大的程度，并可呈現夾緊部位的變化狀況。因為主軸孔比HSK刀柄脹得更大，在高轉速下，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。刀柄 內部所受的夾緊載荷的大小和分布除了與切削負荷和轉速有關外，還與夾緊系統和拉緊力有關。把使刀柄喪失徑向定位或應力超過材料允許應力的轉速規定為刀柄允許的最大轉速。在高的轉速下，不僅主刀柄的平衡很重要，而且整個工具系統的平衡也很重要，因為即使工具系統的每一個組件是平衡好的，由于制造公差，在組成工具系統后仍可能不平衡。?

HSK作為一個高性能的安全的刀柄已得到了應用，其結構參數將很快成為國際標準。

為了避免過載，在實際使用中，準確了解HSK刀柄對彎矩、扭矩的最大承載能力和使用的最高轉速，無論對用戶還是刀柄的制造廠商都很有必要，以便針對具體的使用條件選用正確的HSK刀柄尺寸和結構，做到合理、安全地使用。