在高速切削加工已成为机械加工制造技术重要的环节。传统的BT刀具系统的加工性能已难以满足高速切削的要求。

而刀具系统能在高速下进行切削加工，应满足以下基本条件：

1. 较高的系统精度

系统精度包括系统定位夹持精度和刀具重复定位精度，前者指刀具与刀柄、刀柄与机床主轴的连接精度；后者指每次换刀后刀具系统精度的一致性。刀具系统具有较高的系统精度，才能保证高速加工条件下刀具系统应有的静态和动态稳定性。

2. 较高的系统刚度

刀具系统的静、动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚度不足会导致刀具系统振动，从而降低加工精度，并加剧刀具的磨损，降低刀具的使用寿命。

3. 较好的动平衡性

高速切削加工条件下，微小质量的不平衡都会造成巨大的离心力，在加工过程中引起机床的急剧振动。因此，高速刀具系统的动平衡非常重要。

从1987年开始，由德国阿亨工业大学机床实验室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刀具系统的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刀具系统的ISO标准草案ISO/DIS12164。经过多次修订后，于2001年颁布了HSK刀具系统正式ISO标准ISO12164。

如图1、2所示所示为6种不同形式的HSK刀柄

台中精机产品除立式中心机Vc-85B，新开发之五轴加工中心机Vc-X300亦采用HSK-A63刀具，优点如下：

1.高刚性

2.绝佳轴向定位精度

3.绝佳扭力传输

4.重复精度佳

5.刀把经动平衡校正达 G2.5

能承受的最大弯矩、扭矩以及使用的最高转速。而这些性能数据与应用的条件(如夹紧方式和夹紧力)有关，也与制造刀柄所用的材料和热处理工艺等因素有关。例如使用渗碳钢制造的小规格刀柄，由于在锥柄部分的壁厚很薄，会出现淬透的可能，使刀柄承受动态载荷的能力大大降低。

hsk刀柄与夹紧力

刀柄上承受的弯矩是由横向作用在刀具上的力产生的。刀柄的弯矩承载能力是在弯矩作用下使刀柄法兰接触面的一边开始分离时的弯矩值，从这个临界弯矩值开始，弯矩—变形特征曲线的走向明显变陡，表明刀柄装夹的连接强度迅速降低。在接近临界点时，连接强度已经不够，尽管此时刀柄的法兰面与主轴端面还保持全面接触，但弯矩已接近使两者分离的临界值。这个临界弯矩的大小主要取决于拉紧力，因此加大拉紧力可以提高最大弯矩。这一点对悬伸较长的刀具有特殊的意义，此时一个较小的切削力就会产生较大的弯矩。但是加大拉紧力会增加作用在刀柄夹紧斜面上的总载荷，尤其是在高使用传速下，由于离心力的作用，内部夹爪所施加的夹紧力随之增加，致使夹紧的可靠性得以提高，但另一方面却使刀柄最薄的部位承受很大的载荷，导致刀柄损坏。

hsk刀柄承载能力

在大负荷铣削时会产生很大的切削力和扭矩，HSK刀柄必须能承受、传递这样的扭矩。为了确定刀柄最大扭矩的承载能力，特进行了静态和动态载荷试验。试验时，逐渐增加扭矩直至刀柄失效。由用不同材料制造的HSK63号刀柄的扭转—变形曲线可见，在载荷的作用下，刀柄先处在弹性变形阶段，之后进入装夹的承载阶段，曲线较为平坦，这是由于在刀柄与主轴的接触面之间存在着摩擦力，形成很高的扭转刚性。在克服这个摩擦扭矩后，刚性随之下降。继续增加载荷，传动键开始承受扭矩，直至刀柄损坏。由此可见，损坏扭矩的大小与材料密切相关。如能正确选用材料，则可明显提高刀柄的承载能力。为了确定刀柄的最大扭矩承载能力，仅做静态试验还不够，在切削加工中所产生的动态激振的持续作用下，刀柄承受扭矩的能力明显下降。表中列出了不同材料制造的HSK63号刀柄的极限扭矩承载值。由表可以看出，对于所有的材料动态承载能力大的只有静态试验时的70%。

表 HSK63号刀柄的承载性能

HSK-63 A-C型刀柄夹紧力：15KN，18KN，21KN

法兰端面分离弯矩：420Nm，460Nm，510Nm

滑动扭矩：115～155Nm，138～186Nm，161～218Nm

静态试验破坏扭矩：2200Nm(16MnCr5,56HRC)，2400Nm(41Cr4,53HRC)，3300Nm(X46Cr13,53HRC)

动态试验破坏扭矩：1600Nm(16MnCr5,56HRC)，1800Nm(41Cr4,53HRC)，2400Nm(X46Cr13,53HRC)

最高使用转速：22500r/min(最小过盈配合)，27500r/min(最大过盈配合)

对于E型结构(不带键槽)的HSK刀柄，可传递的最大扭矩是靠刀柄与主轴之间的摩擦实现的，其大小除与锥度配合精度之差有关外，还取决于拉紧力。一个HSK63号刀柄的滑动扭矩在按照DIN标准推荐的18KN拉紧力情况下为138～186Nm，如果把拉紧力提高到21KN，滑动扭矩大约可提高20%，达161～218Nm。

用有限元模拟法确定最大转速

为了确定刀柄使用的最大转速，应用了有限元模拟法。它可以确定刀柄和主轴在高速旋转时胀大的程度，并可呈现夹紧部位的变化状况。因为主轴孔比HSK刀柄胀得更大，在高转速下，主轴与刀柄之间的夹紧配合(连接)被放松了，接触的端面也出现间隙，使径向约束刀柄的能力完全丧失，刀柄可在主轴孔里晃动。刀柄 内部所受的夹紧载荷的大小和分布除了与切削负荷和转速有关外，还与夹紧系统和拉紧力有关。把使刀柄丧失径向定位或应力超过材料允许应力的转速规定为刀柄允许的最大转速。在高的转速下，不仅主刀柄的平衡很重要，而且整个工具系统的平衡也很重要，因为即使工具系统的每一个组件是平衡好的，由于制造公差，在组成工具系统后仍可能不平衡。

HSK作为一个高性能的安全的刀柄已得到了应用，其结构参数将很快成为国际标准。

为了避免过载，在实际使用中，准确了解HSK刀柄对弯矩、扭矩的最大承载能力和使用的最高转速，无论对用户还是刀柄的制造厂商都很有必要，以便针对具体的使用条件选用正确的HSK刀柄尺寸和结构，做到合理、安全地使用。

与被广泛应用的BT(7/24)工具系统相比，HSK工具系统从开发到成为国际标准时间并不长，一些理论方面的问题还没有解决，一些使用中的问题还没有充分暴露出来，用户对这种新型工具系统存在一些片面甚至是错误的认识。

HSK工具系统在使用当中存在的主要问题有：

(1)夹紧系统和夹紧力的使用条件制定不科学

有关机构对生产中的加工中心(机床)的实际使用的紧力进行过调查统计，发现由于夹紧系统的选用不当或夹紧系统的使用不当(如夹紧弹簧的松弛)，大部分机床的实际使用的夹紧力只有规定夹紧力的70%左右，最低的只有30%。这对高速加工甚至普通加工来说都是十分危险的。

(2)现有的制造标准存在不合理的方面HSK工具系统的加工要求苛刻，产品价格昂贵。由于2hi要求苛刻，产品

很难完全达到规定的标准。瑞士某公司检测了国外15家著名公司生产的HSK刀柄，仅有l家公司的产品各项精度完全达到DIN标准。大量的没有完全达到规定的制造标准的HSK工具系统仍在正常使用，这说明现有的HSK

工具系统的制造标准本身存在不合理的一面。

(3)常规的强度校核不能保证HSK锥面配合的可靠性要求HSK工具系统与主轴之间采用了锥面和端面同时夹紧，当转速为零时，由于锥面存在过盈量，锥面会发生变形，一旦处于高速旋转状态下，这种应力变形将更加严重，从而使得工具系统的可靠性下降。常规的强度校核不能保证各种参数条件离散状况下刀柄的可靠性要求。

这些问题的存在一定程度上影响和制约了HSK工具系统在我国的推广和使用，迫切需要我们在这些领域开展更系统、更全面、更深入的研究工作。2100433B

HSK刀柄

HSK工具系统是一种新型的高速短锥型刀柄，其接口采用锥面和端面同时定位的方式，刀柄为中空，锥体长度较短，锥度为1/10，有利于实现换刀轻型化和高速化。如图1所示。由于采用空心锥体和端面定位，补偿了高速加工时主轴孔与刀柄的径向变形差异，并完全消除了轴向定位误差，使高速、高精度加工成为可能。这种刀柄在高速加工中心上应用越来越普遍。

KM刀柄

该刀柄的结构与HSK刀柄相似，也是采用了空心短锥结构，锥度为1/10，并且也是采用锥面和端面同时定位、夹紧工作方式。如图2所示，主要区别在于使用的夹紧机构不同，KM的夹紧结构已申请了美国专利，它使用的夹紧力更大，系统的刚度更高。不过由于KM刀柄锥面上开有两个对称的圆弧凹槽(夹紧时应用)，所以相比之下显得单薄，有些零件的强度较差，而且它需要非常大的夹紧力才能正常工作。另外，KM刀柄结构的专利保护限制了该系统的迅速推广应用。

NC5刀柄

它也采用了空心短锥结构，锥度为1/10，并且也是采用锥面和端面同时定位、夹紧工作方式。由于扭矩是由NC5刀柄前端圆柱上的键槽传递的，刀柄尾部没有传递扭矩的键槽，所以轴向尺寸比HSK刀柄短。它与前面两种刀柄的最大区别在于刀柄没有采用薄壁结构，刀柄锥面处增加了一个中间锥套。KM刀柄和HSK刀柄是通过薄壁的变形来补偿刀柄和主轴制造误差，保证锥面和端面同时可靠的接触，而NC5刀柄是通过中间锥套的轴向移动达到这个目的。中间锥套的轴向移动动力来自刀柄端面上的碟形弹簧。由于中间锥套的误差补偿能力较强，因此NC5刀柄对主轴和刀柄本身的制造精度的要求可稍低些。另外，NC5刀柄内仅有一个安装拉钉的螺钉孔，孔壁较厚，强度高，可采用增压夹紧机构，满足重切削的要求。这种刀柄的主要缺点是刀柄和主轴锥孔之间增加了一个接触面，刀柄的定位精度和刚度有所下降。

CAPTO刀柄

Sandvik公司生产的CAPTO刀柄。这种刀柄的结构不是圆锥形，而是三棱圆锥，其棱为圆弧形，锥度为1/20，并且空心短锥结构，采用锥面与端面同时接触定位。三棱圆锥结构可实现两个方向都无滑动的转矩传递，不再需要传动键，消除了因传动键和键槽引起的动平衡问题。三棱圆锥的表面大，使刀柄表面压力低、不易变形、磨损小，因而精度保持性好。但三棱圆锥孔加工困难，加工成本高，与现有刀柄不兼容，配合会自锁。

HSK刀柄采用短锥面和法兰端面同时定位，刀柄为中空结构，短锥体锥度为1：10， 刀柄与主轴之间通过膨胀式弹性夹头锁紧。HSK刀柄在工作过程中的失效形式主要有两种：一是由于刀柄材料强度不足，在巨大离心负荷作用下发生破坏； 二是由于高速旋转降低动态夹紧力，使夹紧系统不能提供足够的夹紧力以确保切削加工的顺利进行。因此，对HSK刀柄临界使用转速的计算应该从材料强度和夹紧力两方面进行分析。

主要标准有BT、SK、CAPTO、BBT、HSK等几种规格的主轴型号。

BT，BBT，均为日本标准，现也是普遍使用的一种标准。

SK（DIN6987）德国标准

传统刀柄，有ER型，强力型，侧固型，平面铣刀型，钻夹头，莫氏锥柄

现代有液压刀柄，热胀刀柄，PG（冷压）型。