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 2004-08-05
目前在切削加工领域，空心短锥柄(HSK)已越来越普及，这是由于它比7：24大锥度刀柄在精度、刚性和适用高的转速及换刀方便等方面有明显的优势。HSK正式国际标准的公布将使它在更大的范围内得到各国的承认。但在应用这种新型刀柄时，由于其结构上的特点，还必须掌握有关其承载能力的大小和使用的注意事项，才能保证安全、无故障地工作。
成立制定“HSK—技术规范”工作组
根据需要，在1993年以前，对于空心短锥柄(HSK)只是围绕各种规格的DIN标准的制订开展工作，而对如何正确合理使用各种规格的空心短锥柄(HSK)的研究工作考虑不多，只对少量的空心短锥柄(HSK)的规格正确合理使用进行了研究。其原因是，这部分工作超出了当时制订标准的工作范围。然而时至今日，为了确保HSK刀柄的推广和安全合理的应用，有关刀柄正确使用问题显得十分迫切。通过制订一个指导性的技术规范，提供具体的使用数据，可以帮助企业合理使用该刀柄。为此，1999年在阿亨工业大学的机床实验室成立了一个工作组，工作组成员来自世界各国著名的刀具、刀柄制造厂商和HSK的用户，并在财力上支持这项研究工作。
工作组的主要任务是确定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。
（摘自《工具展望》赵炳桢 编译）
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发表于 2004-8-7 10:04:44
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