刀柄种类规格.doc

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1、加工中心的主轴锥孔通常分为两大类，即锥度为7:24的通用系统和1:10的HSK真空系统。7:24锥度的通用刀柄锥度为7:24的通用刀柄通常有五种标准和规格，即NT（传统型）、DIN 69871（德国标准）、IS0 7388/1 （国际标准） 、MAS BT（日本标准）以及ANSI/ASME（美国标准）。NT型刀柄德国标准为DIN 2080，是在传统型机床上通过拉杆将刀柄拉紧，国内也称为ST；其它四种刀柄均是在加工中心上通过刀柄尾部的拉钉将刀柄拉紧。目前国内使用最多的是DIN 69871型（即JT）和MAS BT 型两种刀柄。DIN 69871型的刀柄可以安装在DIN 69871型和ANSI/A

2、SME主轴锥孔的机床上， IS0 7388/1型的刀柄可以安装在DIN 69871型、IS0 7388/1 和ANSI/ASME主轴锥孔的机床上，所以就通用性而言，IS0 7388/1型的刀柄是最好的。（1）DIN 2080型（简称 NT或ST）DIN 2080是德国标准，即国际标准ISO 2583 ，是我们通常所说NT型刀柄，不能用机床的机械手装刀而用手动装刀。（2） DIN 69871 型 （简称JT、 DIN、DAT或DV）DIN 69871 型分两种，即DIN 69871 A/AD型 和 DIN 69871 B型，前者是中心内冷，后者是法兰盘内冷，其它尺寸相同。（3） ISO 7388

3、/1 型 （简称 IV或IT）其刀柄安装尺寸与DIN 69871 型没有区别，但由于ISO 7388/1 型刀柄的D4值小于DIN 69871 型刀柄的D4值，所以将ISO 7388/1型刀柄安装在DIN 69871型锥孔的机床上是没有问题的，但将DIN 69871 型刀柄安装在ISO 7388/1型机床上则有可能会发生干涉。（4） MAS BT 型 （简称 BT）BT型是日本标准，安装尺寸与 DIN 69871、IS0 7388/1 及ANSI 完全不同，不能换用。 BT型刀柄的对称性结构使它比其它三种刀柄的高速稳定性要好。（5） ANSI B5.50型 （简称 CAT）ANSI B5.50

4、型是美国标准，安装尺寸与 DIN 69871、IS0 7388/1 类似，但由于少一个楔缺口，所以ANSI B5.50型刀柄不能安装在DIN69871和IS0 7388/1机床上，但 DIN 69871和IS0 7388/1 刀柄可以安装在ANSI B5.50型机床上。二、 1:10的HSK真空刀柄HSK真空刀柄的德国标准是DIN69873，有六种标准和规格，即HSK-A、 HSK-B、 HSK-C、 HSK-D、 HSK-E和HSK-F，常用的有三种：HSK-A (带内冷自动换刀) 、 HSK-C (带内冷手动换刀) 和HSK-E(带内冷自动换刀，高速型)。7:24的通用刀柄是靠刀柄的7:2

5、4锥面与机床主轴孔的7:24锥面接触定位连接的，在高速加工、连接刚性和重合精度三方面有局限性。HSK真空刀柄靠刀柄的弹性变形，不但刀柄的1:10锥面与机床主轴孔的1:10锥面接触，而且使刀柄的法兰盘面与主轴面也紧密接触，这种双面接触系统在高速加工、连接刚性和重合精度上均优于7:24的HSK刀柄有A型、B型、C型、D型、E型、F型等多种规格，其中常用于加工中心(自动换刀)上的有A型、E型和F型。A型和E型的最大区别就在于：1.A型有传动槽而E型没有。所以相对来说A型传递扭矩较大，相对可进行一些重切削。而E型传递的扭矩就比较小，只能进行一些轻切削。2.A型刀柄上除有传动槽之外，还有手动固定孔、方向

6、槽等，所以相对来说平衡性较差。而E型没有，所以E型更适合于高速加工。E型和F型的机构完全一致，它们的区别在于:同样称呼的E型和F型刀柄(比如E63和F63)，F型刀柄的锥部要小一号。也就是说E63和F63的法兰直径都是63，但F63的锥部尺寸只和E50的尺寸一样。所以和E63相比， F63的转速会更快(主轴轴承小)。高速切削中的刀柄技术2006-11-30 10:31:00进入论坛HSK刀柄锥的结构形式与常用的BT刀柄不同，它是一种新型的高速锥型刀柄，采用锥面与端面双重定位的方式（图2），在足够大的拉紧力作用下，HSK1：10空心工具锥柄和主轴1：10锥孔之间在整个锥面和支承平面上产生摩擦，提

7、供封闭结构的径向定位，平面夹紧定位防止刀柄的轴向窜动，其径向跳动不超过5m，轴向重复定位精度高达1m。HSK短锥柄部长度短（约为标准BT锥柄长度的1/2）、重量轻，因此换刀时间短，有利于高速ATC及机床小型化。在整个速度范围内，HSK锥柄比BT锥柄具有更大的动、静径向刚度和良好的切削性能。HSK锥柄有A，B，C，D，E，F五种型式（图3)。国内采用DIN6989B-1中的A型和C型标准，如HSK50A，HSK63A，HSK100A等。HSK50和HSK63刀柄的主轴转速可达25000r/min，HSK100刀柄可达12000r/min，精密平衡后的HSK刀柄可达40000r/min。随着转速增

8、加，径向刚度将有所降低，见图4。 KM刀柄是1987年美国Kennametal公司与德国Widia公司联合研制的1：10短锥空心刀柄（图5），其长度仅为标准7：24锥柄长度的1/3。由于配合锥度比较短，且刀柄设计成中空结构，在拉杆轴向拉力的作用下，短锥可径向收缩，所以有效地解决了端面与锥面同时定位而产生的干涉问题。 研究表明：与BT刀柄相比，HSK刀柄与KM刀柄具有更加优越的静刚度和动刚度，其中由于KM刀柄的拉紧力、锁紧力和动刚度值明显大于HSK刀柄，所以KM刀柄的性能最优。它们的结构及性能比较见表2。 从表2可以看出KM的动刚度比HSK更高，但它正常锁紧所需的拉紧力也大，大约是HSK的3.2

9、倍。对于尺寸相同的KM6350刀柄和HSK63B刀柄，KM需要11.2kN的拉紧力或33.5kN的锁紧力才能得到16.7N/ftm的动刚度；而HSK只要3.5kN的拉紧力或10.5kN的锁紧力即可得到能满足高速切削要求的同等级的12.5N/m的动刚度。 2其他高速刀柄结构 高速切削在实际生产中使用得越来越多，但其高速刀柄的结构并不像BT刀柄那样通用，许多方面还没有形成标准，所以高速刀柄的形式多种多样。如Sandvik公司生产的CAPTO刀柄就很特殊，其刀柄为三棱体锥，而不是常见的圆锥型，锥度为1：20（图6）。由于三棱锥的表面比较大，所以刀具的表面压力低、不易变形、精度保持性比较好。另外由于该

10、结构不需要传动键就可以实现正反两个方向的转矩传递（图7、图8），所以消除了由于键和键槽引起的动平衡间题。缺点是成本高，与其他现有刀柄不兼容。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hohlschaftkegel缩写，空心短锥)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

11、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。 2hsk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

12、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。 3din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、di

13、n69063(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。(a)刀柄锥部(b)主轴锥孔图1hsk-a型刀柄锥部与主轴锥孔

14、的主要控制尺寸(din标准)表1hsk-a63刀柄锥部与主轴锥孔的相关尺寸(din标准)d2d3l2(l2)d2l3(l3)at3mm48+0.011+0.00746.53+0.007+0.0036.348+0.003-0.00114.721(a)刀柄锥部公差带(b)主轴锥孔公差带hsk-a型刀柄锥部与主轴锥孔公差带(din标准)，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，

15、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*d3max=d2max-2*l3tg(25145-at3/2)=46.534mm*d3min=d2min-2*l3tg(25145)=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d2max=d2max-d2min=12?md2min=d2min-d2max=4?md3max=d3max-d3min=8?md3min=d3min-d3

16、max=-1?m(间隙)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、l

17、3、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。(a)刀柄锥部(b)主轴锥孔hsk-a型刀柄锥部及主轴安装孔的主要控制尺寸(iso标准)hsk-a63刀柄锥部与主轴锥孔的相关尺寸(iso标准)d2tl2(l2)d2tmm48.0100.0036.347.9980.002(a)刀柄锥部公差带(b)主轴锥孔公差带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d2max=d2+t=48.013mmd2min=d2-t=48.007mm*

18、d3max=d2-*l3/9.98+t=46.540mm*d3min=d2-*l3/9.98-t=46.534mmd2max=d2+t=48.000mmd2min=d2-t=47.996mm*d3max=d2-*l3/10+t=46.530mm*d3min=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d2max=d2max-d2min=17?md2min=d2min-d2max=7?md3max=*d3max-*d3min=14?md3min=*d3min-*d3max=4?m4采用两种标准的hsk工具系统性能分析刀柄的定位

19、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。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(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

20、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。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

21、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12?m，最小过盈量为4?m；小端处的最大过盈量为8?m，最小过盈量为-1?m(即出现间隙)。而按iso标准制造时，大端处的最大过盈量为17?m，最小过盈量为7?m；小端处的最大过盈量为14?m，最小过盈量为4?m。 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

22、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。