HSK刀柄工作原理及常見問題分析

上海通用東岳動力總成有限公司（264006）薛達奇

1.HSK刀柄概況

HSK（德文Hohlschaftkegel縮寫）刀柄是德國阿亨（A achen）工業大學機床研究所在20世紀90年代初開發的一種雙面夾緊刀柄，它是雙面夾緊刀柄中最具有代表性的，在高速切削加工中應用越來越廣泛。傳統的BT刀具系統的加工性能已難以滿足高速切削的要求。以下為HSK與BT聯接的比較。

圖1為HSK刀柄尾部聯接，空心柄錐度1∶10，質量輕和行程短，錐面及端面雙面接觸，具有較高的靜態和動態剛度，且具有較高的重復軸向和徑向精度，適用于高速切削。

圖2為常見的的7∶24錐柄，接觸面僅為錐面接觸，且刀體質量大；與HSK相比剛性較低，重復軸向和徑向精度低，且不適合高轉速。

圖1 HSK刀柄尾部聯接

圖2 7∶24錐柄

由于HSK刀具系統要求能在高速下進行切削加工，通常需滿足以下基本條件：

（1）較高的系統精度 系統精度包括系統定位夾持精度和刀具重復定位精度，前者指刀具與刀柄、刀柄與機床主軸的聯接精度；后者指每次換刀后刀具系統精度的一致性。刀具系統具有較高的系統精度，才能保證高速加工條件下刀具系統應有的靜態和動態穩定性。

（2）較高的系統剛度 刀具系統的靜、動剛度是影響加工精度及切削性能的重要因素。刀具系統剛度不足會導致刀具系統振動，從而降低加工精度，并加劇刀具的磨損，降低刀具的使用壽命。

（3）較好的動平衡性 高速切削加工條件下，微小質量的不平衡都會造成巨大的離心力，在加工過程中引起機床的急劇振動。因此，高速刀具系統的動平衡非常重要。

上述HSK刀具在應用過程中應該滿足的條件，對刀具加工較高的精度要求，促使HSK刀具在定位夾緊過程，刀桿的定位面與設備主軸之間貼合的非常緊湊，不存在任何影響精度的間隙。較高的系統剛性和動平衡性也促使在夾緊機構加緊刀桿的狀態下，刀桿的定位面和設備主軸之間需要過盈配合。過盈配合才能滿足夾緊裝置要足夠的穩定，不會因外力的干擾，而導致定位面有絲毫的變化，并在夾緊過程中時刻要保持足夠的緊固力。

HSK刀柄聯接及夾緊力的方向如圖3和圖4所示，箭頭尺寸與夾緊力大小成正比。按ISO標準提供的名義夾緊力（k N），H SK刀柄夾緊力相對較大，且夾緊方式和定位夾緊的高要求導致刀具拆卸過程會出現“抱死”在設備主軸上的問題。鑒于保護設備和刀具方面考慮，無法也并不允許暴力拆卸，從而嚴重影響正常的生產活動和設備的加工能力，為工廠帶來了嚴重的負面影響。

圖3 HSK工作聯接示意圖

圖4 HSK夾緊力示意圖

2.問題分析及解決

HSK刀柄拆卸的過程“抱死”到主軸里面，不能正常拆卸，需要從三個方面分析設備問題：

（1）刀柄磨損及使用環境 刀柄聯接刀具加工過程中切削材料變形、切削刃和被切削工件之間的相對位置移動會產生大量的切削熱。特別是干式、高速切削鑄鐵加工過程中，切削熱會在刀具和刀桿上傳遞，引起刀桿和設備主軸同時熱脹現象發生。刀柄的熱脹程度依據連續切削時間不斷積累。再者，設備主軸雖然和刀桿接觸，但是，由于材質不同，膨脹率會有很大的差異，這種膨脹率的差異會引起刀具拆卸過程出現難以順利拆卸的問題。但每種固體都有自己的熱膨脹系數，根據固體遇熱膨脹公式，可以計算出來刀桿和主軸的間隙

L=l（1+at）

V=v（1+bt）

式中，a為線膨脹系數；b為體膨脹系數；l與v是固體在0℃時的長度與體積；t為溫度。

出現這種現象，請不要急于拆刀，在設備停止加工的狀態下，等待一段時間，刀具自然冷卻或人為冷卻后，刀桿就能夠順利的拆卸。

（2）刀柄與設備聯接系統 刀柄和主軸的狀態對設備的加工影響非常大，刀桿和主軸的狀態不好不僅會引起無法精確定位，更會導致刀桿“抱死”在設備主軸上面。例如，在刀桿定位面上有劃痕或者磕碰的高點、主軸孔上面有毛刺等現象，刀具夾緊系統裝夾過程中會出現刀桿定位面的局部高點提前和設備主軸接觸，定位裝置受力不均勻，很容易造成卡爪失效，嚴重時造成刀柄與主軸“抱死”，無法拆卸。

所以，在實際生產中，一定做好刀柄和主軸孔的保養和維護。刀具運送過程中，不能與工作臺和運送小車直接接觸，要有完好的橡膠或者泡沫墊墊在刀具放置的位置，保證刀具在發生磕碰的時候，被碰物體的硬度要遠遠小于刀桿硬度；在刀具安裝到設備之前，要做好清潔和修整工作，用干凈的無紡布擦拭刀具和設備主軸的定位面，然后用油石打磨刀桿和主軸有異常的位置，并輔助使用壓縮空氣槍清洗干凈。卡爪系統內部結構如圖5所示。

（3）設備控制系統 液壓裝置也是直接影響刀具難拆的重要因素之一，但檢查比較復雜，需要對設備有一定了解的人員才可以做。從上文提到的夾緊滿足條件中描述，提到定位面要求是過盈配合，也就是對液壓缸的拉力要求比較大，所以大部分HSK刀具夾緊部分的液壓裝置都是兩部分組成：液壓缸系統和增加系統。液壓系統故障要從兩方面原因著手：部件功能故障和密封部件漏油。

圖5 卡爪系統內部結構

部件功能故障直接更換備件，做好以后點檢工作就可以解決問題，這個問題就不展開說明。但是，液壓裝置漏油絕大部分都是非常緩慢，不能夠很直觀地發現問題所在，影響問題查找，造成長時間的停機。建議通過以下方法來對設備進行驗證：

首先，手動按動卸刀按鈕，如果無法順利拆卸，請不要急于放棄，反復按動設備拆刀按鈕，待刀桿可以順利拆下來。再一次把刀桿安裝到設備上去，如果此時刀桿被抱死現象消失了，就可以很確定的說，你所負責的設備漏油了。

產生上述現象原因：夾緊裝置的液壓油漏掉一些后，夾緊裝置中負責夾緊的液壓缸會處在缺油的狀態下，以至于無法完成行程，故無法順利拆刀。多次按動拆刀按鈕液壓站里面的液壓油會補充到夾緊裝置的液壓系統中去，從而使液壓缸完成行程，刀具才可以順利拆卸。再者短時間夾緊裝置的液壓油不會有明顯的缺少，所以刀桿在第一次可以拆卸之后，短時間內不會再出現抱死現象。傳動裝置如圖6所示。

圖6 傳動裝置

3.結語

通過HSK特點及原理的了解，更直觀分析刀柄使用中出現問題，提高分析能力，縮短問題處理時間，為車間爭取更多生產機會。