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HSK工具锥柄的检测与动平衡 |
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作者：成都工具研究所 张铁铭 |
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摘要：国产HSK空心锥柄工具系统近年来取得了较快发展，但其柄部制造质量还有待提高。以HSK63-A型柄部及其安装孔为例，分析了HSK空心锥柄的形位尺寸要求，介绍了HSK空心锥柄的质量检测及动平衡计算。
在现代汽车制造、飞机制造、气轮机制造等行业中，为提高生产效率，普遍采用高速和超高速切削，主轴转速达每分钟上万转乃至数万转的切削机床已屡见不鲜。在如此高的转速下，传统切削普遍采用的7:24工具锥柄显露出一系列缺点，已难以满足高速切削的加工要求。因此，国内外许多先进的生产线上已广泛采用一种新型的1:10短圆锥空心锥柄(HSK柄)来取代7:24圆锥柄。由于HSK工具锥柄在刚度、径向圆跳动精度、重复安装精度、刀具寿命等方面都具有优越性能，因此迅速得到普及推广。但是，由于各种类型的空心柄工具进口价格十分昂贵，因此必须立足于国内生产制造，开发国产HSK空心锥柄工具产品是我国工具行业面临的一项重要任务。
1 HSK接口标准及接口部位的检测
目前，尚无正式的HSK接口国际标准(只有尚未颁布实施的ISO/DIS12164 标准草案)，各国生产HSK接口相关产品(包括机床、工具系统、检测工具和仪器等)的厂家都是按照德国标准DIN69893和DIN69063进行设计、制造。DIN69893规定了HSK柄部的形状尺寸；DIN69063规定了HSK锥柄安装孔的形状尺寸。下面以HSK63-A型柄部及其安装孔为例，讨论HSK锥柄和安装孔的形位尺寸要求及检测方法。
1.1 在DIN 标准中，HSK柄部工具圆锥的尺寸决定于两断面的直径及公差。图1给出了HSK63-A柄部的主要尺寸。
图1 HSK63-A 柄部的型式及主要尺寸
图1中，影响HSK刀具性能的关键尺寸包括：①锥柄l2处直径d2=48.000+0.011+0.007mm；②l2+l3处直径d3=46.530+0.007+0.003mm；③夹紧用30°斜面中点相对于端面的位置尺寸l6=18.13±0.042mm。由尺寸d2、d3可得到如图2所示的HSK63-A锥柄的外圆锥公差带。若加工后d2和d3均符合标准要求，即表明圆锥的尺寸精度及圆锥相对于端面的位置精度均合格。由于公差带两端呈喇叭口形，HSK63-A 锥柄的锥体根部尺寸可达Ø48.637～48.644mm，大于安装锥孔的端面孔径。因此，锥柄在安装孔内被拉紧前，端面之间存在一定间隙量(对于HSK63 锥柄约为0.04～0.14mm)；锥柄拉紧后，锥面和端面即可达到紧密接触，并具有很高刚性。
图2 HSK63-A柄部外圆锥的公差带
生产中，直径尺寸d2、d3多用带千分表的专用环规(见图3)来检测。使用环规对工件进行检测前，需先用标准样锥(图3中所示锥体)对千分表校准。标准样锥的尺寸按d2=48.000mm、d3=46.530mm、锥度2°51´45”(1:10锥度)制造。
图3 专用环规和标准样锥
d2、d3也可用气动型或电感型HSK综合检查仪进行检测。图4所示为HSK电感综合检查仪的测量原理。电感测头将测得的信号输入计算机，经过测量软件和计算软件的处理，即可在监视器上直接显示出d2、d3的实际直径值和锥体的实际角度值。
图4 HSK电感综合检查仪测量原理
成都工具研究所已开发出多种规格的HSK电感综合检查仪(仪器外观见图5)，该仪器可用于测量HSK锥柄或HSK锥柄安装孔，测量精度和4 小时稳定性可达0.001mm，分辨率为0.0001mm。该仪器测量准确、快捷，适用于产品终检。
图5 成都工具研究所生产的HSK电感综合检查仪
1.2 尺寸l6是为了保证刀柄在工作过程中始终具有足够拉紧力和较高刚度而设定的。尺寸l6通常是在数控车床上以高速、小进给量条件加工出来的，由于l6的起点和终点分别在孔内和孔外，所以测量该尺寸需要设计专用检具，这种HSK拉紧斜面测量检具的结构如图6所示。进行校准或检测时，先按下测头，将样件或HSK刀柄以锥面定心后，再放开圆盘测头，测头在弹簧作用下与斜面接触，进行比较测量。
图6 HSK拉紧斜面测量检具
1.3 由于HSK空心刀柄的孔壁较薄，为了减小键传动的接触应力，DIN69893中规定HSK锥柄尾端键槽应为圆弧形，且对圆弧中心的位置精度提出了严格要求(见图7，对于HSK63，图中尺寸值分别为：e1=18.110mm，e2=9.15mm，r3=2.88±0.02mm，b1=12.54±0.04mm)，4个圆弧应与键槽宽度b1相切。为控制圆弧键槽的形位精度，首先要保证b1的尺寸精度和对称度要求，然后再用专用检具检测4个圆弧的形位误差。
图7 HSK锥柄自小端沿轴线看的视图
1.4 在DIN 标准中，HSK安装孔的型式尺寸是由一个直径尺寸及其公差、锥角及其偏差来确定的。图8为HSK63安装孔尺寸及其公差带。
图8 HSK63安装孔尺寸及其公差带
在加工过程中，可用带千分表的锥度塞规来控制HSK安装孔的锥孔相对于端面的位置(对于HSK63，锥孔l2的公差控制在-0.03～+0.01mm之间)。图9所示为用基准环规校正带千分表塞规的情况。这些检具工厂可自行制造，但基准环规需经北京计量科学研究院标定，以保证HSK锥柄工具的互换性。
图9 HSK安装孔检具
除了可用带表塞规检测HSK安装孔以外，还可用气动锥度塞规(见图10)或电感锥度塞规进行测量，但目前国内尚无产品供应，需特殊定货。
图10 气动锥度塞规
2 HSK刀柄的动平衡
对于镗铣类机床，如果安装在主轴上的刀柄动平衡不好，主轴转动时就会受到离心力作用，从而降低刀具回转平稳性，影响工件加工质量以及刀具和主轴轴承的使用寿命。为抵消离心力的作用，可通过在适当位置增加或减少一个相应的质量来达到刀柄的动平衡。如某些HSK夹头就是通过补偿孔(或补偿平面)来修正、抵消原有的不平衡量U。
2.1 刀柄动平衡计算参数及公式
对刀柄进行动平衡计算时，需应用以下参数及计算公式：G——平衡等级指标(mm/s)，G=eΩ；M——物体质量(g)；Ω——角速度(/s)，Ω=2pN；N——HSK刀柄转速(r/min)；m——不平衡质量(g)；r——m的回转半径(mm)；e——重心偏距(µm)，e=G/Ω=U/M；U——不平衡量(g·mm)，U=mr=Me(见图11)；F——离心力(N)，F=UΩ2。
图11 不平衡量U的计算
平衡等级G 的计算实例
已知一个HSK锥柄夹头的质量M=1000g，经动平衡后仍有残余不平衡量U=3g·mm，试计算该夹头在N=20000r/min转速下工作时的平衡等级G。
由e=U/M，Ω=2pN/60可知
G=eΩ=2pNU/60M=pNU/ 30M
代入数值计算可得G≈6.3mm/s。同理可知：当工作转速N=8000r/min时，G≈2.5mm/s；当工作转速N=3200r/min时，G≈1mm/s。上述结果也可直接从图12所示的平衡等级列线图中直接查得。
图12 平衡等级列线图
由上述结果可知：①当刀柄质量M相同、残余不平衡量U相同、工作转速N不同时，平衡等级G随之不同；②在不同转速下，要使平衡等级G相同，则当工作转速越高时其不平衡量U 必须越小。
2.2 HSK刀柄的平衡等级G 推荐值及限制转速
当工作转速N=15000r/min 时，HSK40～HSK63 刀柄的平衡等级推荐值为G=6.3mm/s；当工作转速N=9000r/min 时，HSK80～HSK100刀柄的平衡等级推荐值为G=6.3mm/s。
刀柄和刀具经过动平衡后，使用时的限制转速见下表。| 刀柄规格 | 限制转速
(r/min) | 刀柄规格 | 限制转速
(r/min) | | HSK32 | <50000 | HSK40 | <42000 | | HSK50 | <30000 | HSK63 | <25000 | | HSK80 | <20000 | HSK100 | <16000 |
(end)
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(4/3/2007) |
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