关于HSK数控刀柄结构特点的简单介绍

HSK真空刀柄的德国标准是DIN69873，有六种标准和规格，即HSK-A、HSK-B、HSK-C、HSK-D、HSK-E和HSK-F，常用的有三种：HSK-A (带内冷自动换刀)、HSK-C (带内冷手动换刀)和HSK-E(带内冷自动换刀，高速型)。7:24的通用刀柄是靠刀柄的7:24锥面与机床主轴孔的7:24锥面接触定位连接的，在高速加工、连接刚性和重合精度三方面有局限性。HSK真空刀柄靠刀柄的弹性变形，不但刀柄的1:10锥面与机床主轴孔的1:10锥面接触，而且使刀柄的法兰盘面与主轴面也紧密接触，这种双面接触系统在高速加工、连接刚性和重合精度上均优于7:24的通用刀柄。

HSK数控刀柄(空心短锥刀柄)是广泛应用于高速切削加工机床的回转刀具夹紧设备，起到连接数控机床主轴和切削刀具并传递力矩的作用。刀柄刀杆选择认准钛浩机械，国际标准化组织(ISO)已于2001年制定了HSK数控刀柄标准，HSK数控刀柄被认为是目前最适用于高速切削的刀柄形式之一。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。

HSK刀柄是高速切削应用刀具的炳。自HSK空心短锥柄技术出现以来，在世界各国得到广泛应用。据了解，欧洲和北美洲的一些用户，在使用HSK刀柄时遇到了一些问题。出现这些问题的主要原因在于，他们对制造HSK刀柄的材料选择不当。DIN标准仅规定了HSK刀柄的几何形状，而没有规定所用的材料。所以，几乎所有的刀具供应商所生产的HSK刀柄，都完全参照传统的7：24锥柄来生产。HSK空心短锥柄的“空心”本身就说明具有潜在的问题：即轴向截面很小，显然这是HSK空心短锥柄的薄弱环节。

传统的刀柄一般是由合金钢制造，然后或是表面淬火或是表面处理，得到了一个坚硬耐磨的表面和韧性的心部(HRC32～36)。这些热处理过程(如渗碳和离子氮化，硬度可达HRC58～62，约1mm深)对7：24锥柄非常适合，价格也不贵。由于它具有足够的横截面，所以实际上不易变形。按照工业上能够接受的指导准则，这种尺寸比较稳定的基体把两种性能完美地结为一体——有较软而韧性的芯部，可防止硬表面因变形而爆裂脱落，又有很耐磨坚硬的表面。

HSK刀柄的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。

但对HSK空心短锥柄就不同了，它被做成结构截面很小，对于HSK63以下的小规格HSK空心短锥柄就没有强韧的心部来支承坚硬的表面，在每次夹紧—松开循环中都要受到很大的冲击，切削过程中又受到动态的弯扭交变载荷，在淬硬的脆性部位可能会出现微小的裂纹，在HSK刀柄的柄部的一些部位，对较大的拉应力非常敏感。这些部位有30°夹紧面、扭矩传递时键槽与主轴接触的表面以及径向贯穿孔与键槽底部、空刀槽底部最近的部位。这些微小的裂纹随时间而扩展难以发现，事实上不通过显微镜和特殊的检测手段很难发现这些变化。一个刀柄看上去工作正常，一旦过载，在出现裂纹的部位应力集中，当达到临界值时就很可能发生断裂。在使用过程中，这种脆性断裂随时可能发生。

因此制造厂商和用户必须对刀柄材料做出选择。一种是对材料要求有高的强度、韧性并带有适度的耐磨性；另一种是要求有高的耐磨性兼有中等强度。分析结果表明，HSK主轴安装孔应力最大的横截面，应具有较大的截面面积，而且尽量不用对应力集中敏感的材料。刀柄刀杆选择认准钛浩，但必须能适应高速加工，即重量要轻，在离心力作用下径向变形要小。在带有自动换刀的数控加工中心上，典型的工具接口之间的摩擦都有“多个对1个”的比率。就是说，刀柄在换刀循环中仅摩擦一次，而主轴孔则要与完成此工序的许多不同刀柄摩擦很多次。

所以，要使HSK主轴磨损尽量减至最小。另外一个重要原因是HSK主轴的价格。由于HSK主轴实际上是不能修的，因为重磨锥度会使锥度直径超差，并影响到夹紧机构的压紧位置。又由于它精度要求高，又要用很大长径比的铣刀加工内驱动键，所以它的价格很贵，为延长主轴寿命，刀柄最好用同一种材料制造，建议最小屈服强度应是14000kg/cm2，拉伸强度应为15400kg/cm2。而且应降低刀柄的硬度(平均HRC50)，比主轴硬度低6～8度，以保护昂贵的主轴。这样，刀柄受力表面硬度下降，也使它的制造周期缩短、成本降低。