目前在切削加工領(lǐng)域，空心短錐柄(HSK)已越來(lái)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(zhuǎn)速及換刀方便等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。HSK正式國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的公布將使它在更大的范圍內(nèi)得到各國(guó)的承認(rèn),。但在應(yīng)用這種新型刀柄時(shí),，由于其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，還必須掌握有關(guān)其承載能力的大小和使用的注意事項(xiàng),，才能保證安全,、無(wú)故障地工作?

成立制定“HSK—技術(shù)規(guī)范”工作組

根據(jù)需要，在1993年以前，對(duì)于空心短錐柄(HSK)只是圍繞各種規(guī)格的DIN標(biāo)準(zhǔn)的制訂開(kāi)展工作,，而對(duì)如何正確合理使用各種規(guī)格的空心短錐柄(HSK)的研究工作考慮不多,，只對(duì)少量的空心短錐柄(HSK)的規(guī)格正確合理使用進(jìn)行了研究。其原因是,，這部分工作超出了當(dāng)時(shí)制訂標(biāo)準(zhǔn)的工作范圍,。然而時(shí)至今日，為了確保HSK刀柄的推廣和安全合理的應(yīng)用,，有關(guān)刀柄正確使用問(wèn)題顯得十分迫切,。通過(guò)制訂一個(gè)指導(dǎo)性的技術(shù)規(guī)范，提供具體的使用數(shù)據(jù),，可以幫助企業(yè)合理使用該刀柄,。為此，1999年在阿亨工業(yè)大學(xué)的機(jī)床實(shí)驗(yàn)室成立了一個(gè)工作組,，工作組成員來(lái)自世界各國(guó)著名的刀具,、刀柄制造廠商和HSK的用戶(hù)，并在財(cái)力上支持這項(xiàng)研究工作,。?

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

承載彎矩的能力與夾緊力有關(guān)

刀柄上承受的彎矩是由橫向作用在刀具上的力產(chǎn)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(kāi)始分離時(shí)的彎矩值,，從這個(gè)臨界彎矩值開(kāi)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(qiáng)度迅速降低,。在接近臨界點(diǎn)時(shí)，連接強(qiáng)度已經(jīng)不夠,，盡管此時(shí)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(gè)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(diǎn)對(duì)懸伸較長(zhǎng)的刀具有特殊的意義，此時(shí)一個(gè)較小的切削力就會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩,。但是加大拉緊力會(huì)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(nèi)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(dǎo)致刀柄損壞,。?

如何確定對(duì)扭矩的承載能力

在大負(fù)荷銑削時(shí)會(huì)產(chǎn)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(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷試驗(yàn),。試驗(yàn)時(shí),，逐漸增加扭矩直至刀柄失效。由用不同材料制造的HSK63號(hào)刀柄的扭轉(zhuǎn)—變形曲線可見(jiàn),，在載荷的作用下,，刀柄先處在彈性變形階段，之后進(jìn)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(zhuǎn)剛性,。在克服這個(gè)摩擦扭矩后,，剛性隨之下降。繼續(xù)增加載荷,，傳動(dòng)鍵開(kāi)始承受扭矩,，直至刀柄損壞。由此可見(jiàn),，損壞扭矩的大小與材料密切相關(guān),。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(tài)試驗(yàn)還不夠，在切削加工中所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)激振的持續(xù)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(hào)刀柄的極限扭矩承載值。由表可以看出,，對(duì)于所有的材料動(dòng)態(tài)承載能力大的只有靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)的7%,。?

表 HSK63號(hào)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(dòng)扭矩：115～155Nm，138～186Nm,，161～218Nm

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

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)破壞扭矩：1600Nm(16MnCr5,56HRC),，1800Nm(41Cr4,53HRC),，2400Nm(X46Cr13,53HRC)

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

對(duì)于E型結(jié)構(gòu)(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(shí)現(xiàn)的,，其大小除與錐度配合精度之差有關(guān)外，還取決于拉緊力,。一個(gè)HSK63號(hào)刀柄的滑動(dòng)扭矩在按照DIN標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)扭矩大約可提高20%,，達(dá)161～218Nm,。?

用有限元模擬法確定最大轉(zhuǎn)速

為了確定刀柄使用的最大轉(zhuǎn)速，應(yīng)用了有限元模擬法,。它可以確定刀柄和主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)脹大的程度,，并可呈現(xiàn)夾緊部位的變化狀況。因?yàn)橹鬏S孔比HSK刀柄脹得更大,，在高轉(zhuǎn)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(xiàn)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(dòng)。刀柄 內(nèi)部所受的夾緊載荷的大小和分布除了與切削負(fù)荷和轉(zhuǎn)速有關(guān)外,，還與夾緊系統(tǒng)和拉緊力有關(guān),。把使刀柄喪失徑向定位或應(yīng)力超過(guò)材料允許應(yīng)力的轉(zhuǎn)速規(guī)定為刀柄允許的最大轉(zhuǎn)速。在高的轉(zhuǎn)速下,，不僅主刀柄的平衡很重要,，而且整個(gè)工具系統(tǒng)的平衡也很重要，因?yàn)榧词构ぞ呦到y(tǒng)的每一個(gè)組件是平衡好的,，由于制造公差,，在組成工具系統(tǒng)后仍可能不平衡。?

HSK作為一個(gè)高性能的安全的刀柄已得到了應(yīng)用,，其結(jié)構(gòu)參數(shù)將很快成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),。

為了避免過(guò)載，在實(shí)際使用中,，準(zhǔn)確了解HSK刀柄對(duì)彎矩,、扭矩的最大承載能力和使用的最高轉(zhuǎn)速,，無(wú)論對(duì)用戶(hù)還是刀柄的制造廠商都很有必要，以便針對(duì)具體的使用條件選用正確的HSK刀柄尺寸和結(jié)構(gòu),，做到合理,、安全地使用。