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HSK工具系统标准分析

江苏大学王树林王贵成王柱

1 引言

高速切削加工已成为现代机械制造技术的一个重要组成部分和发展方向。目前，工业发达国家已开始广泛使用机床主轴转速达每分钟上万转乃至数万转的高速切削机床。我国的汽车、拖拉机、航空航天等行业从国外引进的大量先进生产线、加工中心及高性能机床中，也包括不少高速切削机床。在机床主轴工作转速大幅度提高的情况下，传统的BT(7:24锥度)工具系统的加工性能已难以满足高速切削的要求。为此，工业发达国家竞相开发各种可适应高速切削需要的新型工具系统，目前应用较广泛的有德国的HSK(德文Hohl Schaft Kegel缩写)工具系统、美国的KM 工具系统、日本的NC5、Big-Plus工具系统等，其中以HSK系统的技术最为成熟，应用范围也最广泛。HSK工具系统采用空心短锥结构和两面夹紧方式，在系统刚度、径向圆跳动精度、重复安装精度、夹紧可靠性等方面都具有优越性能。工具系统的制造精度直接影响其工作性能。本文通过分析HSK工具系统德国DIN标准与ISO标准之间的主要差异，讨论了对HSK工具系统定位精度和联接刚度的影响，以期对国产新型工具系统的开发提供借鉴与参考。

2 HSK工具系统标准的制订

从1987年开始，由德国阿亨工业大学机床实验室(WZL)以及一些工具制造厂、机床制造厂、用户企业等30多个单位成立了专题工作组，在M.Weck教授领导下开始了新型工具系统的研究开发工作。经过第一轮研究，工作组于1990年7月向德国工业标准组织提交了“自动换刀空心柄”标准建议。德国于1991年7月公布了HSK工具系统的DIN标准草案，并向国际标准化组织建议制定相关ISO标准。1992年5月，国际标准化组织ISOT/TC29(工具技术委员会)决定暂不制订自动换刀空心柄的ISO标准。经过工作组的第二轮研究，德国于1993年制定了HSK工具系统的正式工业标准DIN69893。1996年5月，在ISO/TC29/WG33审议会上，制订了以DIN69893为基础的HSK工具系统的ISO标准草案ISO/DIS12164。经过多次修订后，于2001年颁布了HSK工具系统正式ISO标准ISO12164。

3 DIN标准与ISO标准的主要差异

在HSK工具系统正式ISO标准颁布之前，各国生产的HSK工具系统相关产品均按德国标准DIN69893、DIN69063(规定了主轴安装孔形状尺寸)进行设计与制造。但HSK工具系统的正式ISO标准ISO12164对DIN标准作了若干处重要改进，这些差异对HSK工具系统的工作性能将产生较大影响。

在HSK工具系统中，刀柄锥部与机床主轴锥孔的配合质量直接影响其性能及精度，因此，合理制定刀柄锥部和机床主轴孔的制造精度要求是HSK工具系统标准必须解决的关键问题。对此，DIN标准与ISO标准采用了两种截然不同的处理方法。以HSK-A 型刀柄为例，DIN标准规定的刀柄锥部与主轴锥孔的主要控制尺寸见图1。表1为HSK-A63型刀柄锥部与主轴锥孔的相关尺寸。

（图片）（图片）

(a)刀柄锥部 (b)主轴锥孔

图1 HSK-A型刀柄锥部与主轴锥孔的主要控制尺寸(DIN标准)

表1 HSK-A63刀柄锥部与主轴锥孔的相关尺寸(DIN标准)

d₂

d₃

l₂(L₂)

D₂

l₃(L₃)

AT3

48	+0.011
	+0.007

46.53	+0.007
	+0.003

6.3

48	+0.003
	-0.001

14.7

由图1可见，在DIN标准中，HSK刀柄锥部由两个断面的直径尺寸d₂(大端)、d₃(小端)和两个断面的位置尺寸l₂、l₃以及锥度(1:10)来控制。对应的主轴锥孔由大端直径D₂、断面的位置尺寸L₂和锥度(1:10)所对应的锥角来控制。在DIN 标准中，主轴锥孔未规定L₃、D₃尺寸，为便于分析论述，本文用“*L₃”、“*D₃”表示与刀柄锥部尺寸l₃、d₃相对应的主轴锥孔尺寸。DIN标准规定的HSK-A型刀柄锥部与主轴锥孔的公差带如图2所示。

对应于DIN标准的HSK-A63型主轴锥孔小端处的极限尺寸为

*D_3max=D_2max-2*L₃ tg(2°51'45"-AT3/2)=46.534mm

*D_3min=D_2min-2*L₃ tg(2°51'45")=46.529mm

刀柄锥部与主轴锥孔配合时，在大端d₂和小端d₃处的最大和最小过盈量分别为

D_2max=d_2max-D_2min=12µm

D_2min=d_2min-D_2max=4µm

D_3max=d_3max-D_3min=8µm

D_3min=d_3min-D_3max=-1µm(间隙)

（图片）（图片）

(a)刀柄锥部公差带 (b)主轴锥孔公差带

图2 HSK-A型刀柄锥部与主轴锥孔公差带(DIN标准)

ISO标准规定的HSK-A型刀柄锥部与主轴锥孔主要控制尺寸如图3所示。由图可见，在ISO标准中，HSK刀柄锥部由大端断面直径尺寸d₂、断面位置尺寸l₂、锥面的面轮廓度公差t和锥度 (1:9.98)来控制，未单独规定小端尺寸及公差。对应的主轴锥孔控制方法与刀柄锥部相似，也是由大端断面直径尺寸D₂、断面位置尺寸L₂、锥面的面轮廓度公差T和锥度来控制，但锥度与DIN标准相同 (1:10)，也未单独规定小端尺寸及公差。在ISO标准中，主轴锥孔和刀柄锥部均未规定L₃、l₃、D₃、d₃尺寸，为便于分析论述，本文用“*L₃”、“*l₃”、“*D₃”、“*d₃”表示与DIN标准中的L₃、l₃、D₃、d₃相对应的尺寸。表2为HSK-A63型刀柄锥部与主轴锥孔的相关尺寸。图4所示为HSK-A 型刀柄锥部与主轴锥孔的公差带。

（图片）（图片）

(a)刀柄锥部 (b)主轴锥孔

图3 HSK-A型刀柄锥部及主轴安装孔的主要控制尺寸(ISO标准)

表2 HSK-A63刀柄锥部与主轴锥孔的相关尺寸(ISO标准)
d₂	t	l₂(L₂)	D₂	T
mm
48.010	0.003	6.3	47.998	0.002

（图片）（图片）

(a)刀柄锥部公差带 (b)主轴锥孔公差带

图4 HSK-A型刀柄锥部与主轴锥孔公差带(ISO标准)

对应于ISO标准的HSK-A63型刀柄锥部与主轴锥孔在大、小端处的极限尺寸分别为

d_2max=d₂+t=48.0 13mm

d_2min=d₂-t=48.007mm

*d_3max=d₂-*l₃/ 9.98+t=46.540mm

*d_3min=d₂ -*l₃/9.98-t=46.534mm

D_2max=D₂+T=48.000mm

D_2min=D₂-T=47.996mm

*D_3max=D₂-*L₃/10+T=46.530mm

*D_3min=D₂-*L₃/10-T=46.526mm

刀柄锥部与主轴锥孔配合时，在大端d₂和小端*d₃处的最大和最小过盈量分别为

D_2max=d_2max-D_2min=17µm

D_2min=d_2min-D_2max=7µm

D_3max=*d_3max-*D_3min=14µm

D_3min=*d_3min-*D_3max=4µm

4 采用两种标准的HSK工具系统性能分析

刀柄的定位精度和联接刚度是衡量工具系统性能的两个重要指标。下面对采用DIN标准和ISO标准的HSK刀柄的定位精度和联接刚度作一对比分析。

1. 定位精度

HSK刀柄的定位精度包括轴向定位精度和径向定位精度。由于采用DIN标准和ISO标准的HSK刀柄均利用端面进行轴向定位，因此二者都具有很高的轴向定位精度(<0.001mm)，不存在差异。由于HSK刀柄利用锥面实现径向定心，因此其径向定位精度由HSK刀柄锥面大端与主轴锥孔大端的配合状况决定。以HSK-A63型刀柄与主轴为例，按DIN标准进行制造时，大端处的平均过盈量为8Micro;m而按ISO标准进行制造时，大端处的平均过盈量为12Micro;m。因此采用ISO标准更有利于保证刀柄的定位精度。

2. 联接刚度

HSK刀柄与主轴的联接刚度与HSK刀柄锥面与主轴锥孔的配合状况以及刀柄、刀柄端面与主轴端面的拉紧状况密切相关。

HSK刀柄在切削载荷作用下的变形曲线如图5所示。由图可知，HSK刀柄的联接刚度存在两种状态。A段曲线对应的工作载荷较低，刀柄联接刚度较高(变形较小)，此时的联接刚度与刀柄前端结构尺寸有关；B段曲线表明当作用于刀柄的工作载荷增大到一定程度后，刀柄变形急剧增大，联接刚度下降，动刚度很低，工作性能恶化，这种特征与刀柄锥部尺寸以及刀柄与主轴锥孔的配合状况有关。

（图片）

图5 DIN刀柄在静载荷作用下的变形曲线

HSK刀柄锥部尺寸以及刀柄锥部与主轴锥孔的配合状况对联接刚度的影响是双重的。一方面，为使HSK刀柄在较大工作载荷范围内保持较高刚度，必须保证有足够大的夹紧力传递到刀柄端面，使之与主轴端面紧密贴合，这就要求刀柄锥部与主轴锥孔的配合过盈量不能过大；另一方面，为使重载时刀柄的联接刚度不会急剧下降，就必须保证刀柄锥部与主轴锥孔的配合过盈量足够大。因此，为达到严格控制刀柄锥部与主轴锥孔配合过盈量的目的，无论是DIN标准还是ISO标准，都对刀柄锥部与主轴锥孔的加工精度提出了极高要求。

以HSK-A63型刀柄与主轴锥孔为例，按DIN标准制造时，大端处的最大过盈量为12µm，最小过盈量为4µm；小端处的最大过盈量为8µm，最小过盈量为-1µm(即出现间隙)。而按ISO标准制造时，大端处的最大过盈量为17µm，最小过盈量为7µm ；小端处的最大过盈量为14µm，最小过盈量为4µm 。比较两种标准的刀柄配合过盈量可知，按DIN标准制造的HSK刀柄与主轴锥孔的配合过盈量较小，有利于保证将足够大的夹紧力传递到刀柄端面，使之与主轴端面紧密贴合，从而在较大工作载荷范围内获得较高联接刚度，但在重载条件下联接刚度将急剧下降，使工作条件恶化。按ISO标准制造的刀柄与主轴锥孔的配合过盈量较大，使可保持较高联接刚度的工作载荷范围有所缩小。ISO标准指出，只要夹紧力不小于该标准的规定值，即可确保70%以上的夹紧力传递到刀柄端面，因此工作载荷范围的缩小是有限的。ISO标准规定的刀柄锥度(1:9.98)与主轴锥孔的锥度(1:10)并不一致，从而可保证在刀柄锥部与主轴锥孔拉紧联接过程中，圆锥的大端首先接触，随着产生弹性变形，使刀柄与主轴的端面和锥面发生过定位全面接触，以确保其轴向、径向安装定位精度，并有利于防止具有高联接刚度的工作载荷范围缩小。若将刀柄锥度定为1:9.94，则小端过盈量仍与DIN标准相当。由此可见，按ISO标准制造的刀柄和主轴锥孔在重载条件下具有较高的联接刚度和较好的切削性能。此外，按ISO标准制造的HSK刀柄与主轴锥孔的配合过盈量变化量较小，因此系统性能更为稳定。

5 结论

按ISO标准制造的HSK工具系统的刀柄与主轴锥孔配合过盈量较大，更易保证HSK刀柄的定位精度及系统性能的稳定性。

ISO标准对刀柄锥部和主轴锥孔分别采用不同的控制锥度(1:9.98和1:10)是合理的，有利于更好发挥HSK工具系统刚度高的性能优势。

在保证足够夹紧力的前提下，按ISO标准制造的HSK工具系统更有利于重载切削。

按DIN标准制造的HSK工具系统的刀柄与主轴锥孔配合过盈量稍小，夹紧更为可靠，更适用于高速、轻载加工。 12/27/2004


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