BT與HSK工具系統高速加工性能比較分析

陳世平 李青鋒

(重慶理工大學汽車學院，重慶 400054)

高速切削加工刀具技術是高速切削加工的一個關鍵技術，它包括高速切削刀具材料和工具系統兩個方面。在工具系統方面，傳統的BT工具系統采用7∶24錐度實心長刀柄結構已不能滿足高速切削加工的要求，必須研發各種新型結構的工具系統，如現采用較多的HSK工具系統、KM工具系統等。BT工具系統與HSK工具系統由于結構不同，其高速切削加工性能相差甚遠，BT工具系統幾乎不能用于高速切削加工。

1 BT與HSK工具系統的結構特點

BT刀柄為7∶24錐度實心長刀柄結構，如圖1所示。該刀柄在機床主軸錐孔安裝時僅靠錐面實現徑向定位和軸向定位，并用拉桿拉緊。在普通切削加工的轉速下，刀柄與主軸間無變化。但在主軸高速旋轉狀態時，在巨大離心力的作用下，由于刀柄與主軸孔的膨脹量不一致，導致主軸與刀柄錐面接觸面積減少。同時，在夾緊機構的拉桿拉力的作用下，刀柄的軸向位置會發生變化，刀柄將內陷主軸孔內，刀柄、刀具以及夾頭的質心也發生偏移，從而使刀柄的錐度連接剛度和定位精度下降，影響了工具系統整體的不平衡和刀具穩定切削條件。另外，當機床停機后，刀柄內陷于主軸孔內將很難拆卸。

HSK刀柄采用了錐度1∶10的空心短錐柄結構，可進行錐面(徑向)和法蘭端面(軸向)雙面定位，實現與主軸的剛性連接，如圖2所示。當刀柄在機床主軸錐孔上安裝時，空心短錐柄與主軸錐孔能完全接觸，起到定心作用。此時，HSK刀柄法蘭盤與主軸端面之間還存在約0.1 mm的間隙。在拉緊機構作用下，拉桿的向左移動使其前端的錐面將彈性夾爪徑向脹開，同時夾爪的外錐面作用在空心短錐柄內孔的30°錐面上，空心短錐柄產生彈性變形，并使其端面與主軸端面靠緊，實現了刀柄與主軸錐面和主軸端面同時定位和夾緊的功能。

由此可見，HSK工具系統與BT工具系統由于結構特點不同，則高速加工性能也不同，BT工具系統不適宜用于高速加工。這可以從下面的分析中得到進一步證實。

2 BT與HSK工具系統的數字模擬分析

數字模擬分析法是保留工程問題的復雜性，利用數字計算方法求得問題的近似數值解的一種工程計算方法，最常用的就是有限元數字分析法。有限元法是把一個物體看成是有限個小單元的集合體，對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解，然后推導求解這個物體總的滿足條件(如結構的平衡條件)，從而得到問題的解。應用有限元法求解時，應把連續的求解區域分割成有限個單元，并在每一個單元上指定有限個節點，然后對求解區域進行模擬或逼真分析。

對于BT工具系統，選取BT40型工具系統作為分析對象，分別對主軸和刀柄進行有限元分析，建立的有限元分析模型如圖3所示。為了便于研究，在建立模型時不考慮鍵槽、芯片等的影響。定義材料屬性為:密度m=7.8×103kg/m3，彈性模量E=2.03×1011N/m2，泊松比ν=0.30，摩擦系數μ=0.15。通過解算有限元，可以得到在離心力作用下主軸和刀柄的徑向變形情況，如圖4所示。圖中的縱坐標變形量即為主軸和刀柄的徑向位移量，X為節點到主軸端面的距離。

對于HSK工具系統，選取HSK63－A型工具系統作為分析對象，分別對主軸和刀柄進行有限元分析，建立的有限元分析模型如圖5。定義材料屬性為:密度m=7.8×103kg/m3，彈性模量E=2.03 ×1011N/m2，泊松比ν=0.30，摩擦系數μ=0.15。通過解算有限元，可以得到離心力作用下主軸和刀柄的徑向變形情況。圖6為高速旋轉時HSK刀柄和主軸在不同離心力作用下的擴張情況。

比較圖4c和圖6c可以看出，高速狀態下，主軸與刀柄間的間隙HSK工具系統比BT工具系統小，且其接觸面之間的間隙也相對均勻。由此可知:HSK工具系統的結構在高轉速下的動態特性比BT工具系統的結構的優越，也證明了不同的工具系統結構形式對主軸和刀柄的連接系統動態特性有很大的影響，雙面定位、空心薄壁結構優于單面定位、實心錐柄結構。

3 HSK與BT工具系統的高速加工性能

為了比較HSK工具系統與BT工具系統的動、靜態特性，在相應的試驗儀器上進行了有關實驗，其實驗結果如圖7～10所示。

圖7表明了HSK63－A刀柄和BT40刀隨軸向拉緊力增大，其軸向位移變形情況。可見，HSK工具系統軸向位移比BT工具系統的小得多，說明其相應的軸向剛度、定位精度高得多。

圖8表明了HSK63－A刀柄(18 kN軸向拉緊力)和BT40刀柄(12 kN軸向夾緊力)承受彎矩載荷時，其徑向剛度(以離軸端1 m處的徑向位移衡量)的變化情況。實驗結果表明，HSK工具系統變形比BT40工具系統的小，其相應的徑向剛度、承載能力高。

圖9表明了HSK63－A刀柄隨著轉速提高、離心力增大，其軸向拉緊力也增大，而BT刀柄的軸向拉緊力幾乎不變。

圖10為HSK63－A刀柄和BT40刀柄重復安裝精度實驗對比圖。實驗結果表明，HSK63－A刀柄與BT40刀柄相比較，徑向重復定位精度提高約2/3倍，而軸向重復定位精度提高約400倍，這充分說明了雙面定位系統的優點。

4 結語

通過以上理論分析和實驗分析，可以充分肯定HSK工具系統與傳統的BT工具系統相比，具有良好的高速加工性能，在高速切削加工技術中占有重要的地位，具有廣泛的應用推廣價值。但是，HSK工具系統結構也有一定弊端，主要表現在以下幾個方面:

(1)由于采用過定位安裝，必須嚴格控制錐面基準線與法蘭端面的軸向位置精度，使其制造工藝難度較大。一般而言，HSK工具系統的價格是相近規格BT工具系統的1.5倍。

(2)HSK工具系統結構為空心狀態，裝夾刀具的結構必須設置在外部，增加了整個刀具的懸伸長度，影響了刀具的剛度。

［1］陳世平，侯智，周康源，等.HSK刀柄高速切削性能研究［J］.機械設計與制造，2005(8):128 －130.

［2］張伯霖.高速切削技術及應用［M］.北京:機械工業出版社，2002:181－198.

［3］王貴成，王樹林，董廣強，等.高速加工工具系統［M］.北京:國防工業出版社，2005:106－112.

［4］Dr.Eugene Kocherovsky.HSK Handbook［Z］.1999.