对HSK刀柄材料的特殊要求

HEATS · 发表于 2010-9-12 10:27:36

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　　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。

　　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。

　　有些制造厂商用淬透性材料。这时，截面上不同点的性质大体相同，刀柄的延伸率、屈服强度和冲击强度可能达到最佳组合。但是，相对于表面淬硬的刀柄，其硬度将是最低的(约低5～6HRC)。这种刀柄缺乏冲击强度，不耐磨，因此不得不经常更换。

　　所以要想达到最高的韧性、最高的耐磨性和耐腐蚀性的同时，又要成本低廉，这是不可能的。我们不能改变产品的几何形状，它是标准的。我们也受大量生产成本的制约，不可能采用昂贵的“空间材料和技术”。为了能使这种具备许多优点的新接口在生产中得到广泛应用，我们只有不断地探索。

　　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。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。

　　例如，假定有一台CNC加工中心的刀库有32个刀位，而且都在使用。每个工序切削时间为5分钟，机床每天工作10小时。在同一工件加工中每把刀具只使用一次。这样，对主轴来讲，每天要摩擦120次，而对每把刀柄只有4次。据此可推出，这台机床工作年限内摩擦次数的比率。这个数字说明主轴摩擦次数比刀柄的摩擦次数要大得多，对任何形式的工具接口都是一样。

　　传统的7：24锥度主轴磨损的结果是成为“喇叭口”，这是一个难以察觉的很缓慢的过程。但是，磨损带来的结果是刀具振动、跳动增加、刀具轴向定位尺寸发生变化。这时就要重磨主轴孔。要想减低磨损速度，就要用相对低的压力。

　　当HSK刀柄被夹紧时，主轴孔与刀柄之间有很大的压力。由于其锥度系1：10(半角为2°51′27″)——是个自锁角度，卸刀柄时需要一个附加的卸出力，这对主轴孔也是一个摩擦过程。由于1：10的锥度很小，径向每磨损0.0025mm，就会影响0.025mm的轴向间隙，这样也会影响到夹紧机构的夹紧状态，可能会引起故障。因此，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。【MechNet】

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