1 引言

圖1 HSK柄在孔中拉緊前后的接觸情況

圖2 HSK柄和KM柄的結構

2 幾種新型雙面夾緊工具柄

德國 經過大量實驗研究及生產驗證，一種全新的HSK( Hohlschaftekegel)空心短錐柄于九十年代初在德國開發成功。這種工具柄部結構(如圖1所示)是雙面夾緊工具柄中最具代表性的結構型式，已于1996年列入德國DIN標準，并于2001年12月成為國際標準ISO12164。在此前對草案ISO/DIS12164與ISO/FDIS12164 的表決中，多數工業發達國家(德、法、意、英、日等)均表示贊同，中國也投了贊成票。由于其剛性和重復安裝精度較7:24錐柄提高了幾倍至幾十倍，因此得到了世界制造業的廣泛認同，甚至在其尚未正式列入DIN標準之前，就已在德國的汽車、飛機等制造行業中得到廣泛采用。例如在德國奔馳汽車公司和大眾汽車公司的Salzgitter工廠中，HSK被廣泛用于銑削、鉆削和車削加工中，從而有效提高了加工精度和刀具壽命。由于HSK柄大大增加了工具系統的剛性，從而使整體硬質合金刀具以及由金屬陶瓷、陶瓷、CBN 、PCD等硬脆材料制成的高效刀具在轎車生產線上得以普及應用，有效提高了生產效率。因此，HSK雙面夾緊刀柄工具的采用已成為轎車生產線先進性的重要標志之一。日本 日本一些公司也致力于對7:24長錐柄進行多種形式的改進，以達到雙面(圓錐面和端面)接觸、提高定位精度和剛性的目的。如NIKKEN公司的3 LOCK SYSTEM錐柄和BIG DAISHOWA SEIKI公司的BIG PLUS精密錐柄等都是在7:24錐柄基礎上進行了一定改進。雖然這些改進型錐柄可與原7:24錐柄互換使用，但從適應機床轉速進一步高速化的發展要求來看，1:10短錐空心柄更具發展前途。所以，更多日本公司還是積極采用德國DIN標準的HSK柄，如NT工具公司、黑田精工、圣和精機、住友電工、三菱金屬、YUKIVA等都先后引進了HSK生產技術，使HSK柄工具系統在日本得到迅速普及。美國 美國Kennametal公司開發了另一種與HSK并存的1:10短錐空心柄——KM柄。這兩種錐柄的結構特點如圖2和表1所示。但是，美國的通用、福特汽車公司、波音飛機公司等都較早采用了德國DIN標準規定的HSK柄。雖然美國沒有對DIS/DIS12164草案投贊成票，但其國內越來越多的工具制造商(如Valenite、TSD等)都在按DIN標準生產HSK柄的工具產品。HSK德國DIN標準與最近頒布的HSK國際標準的區別


HSK安裝孔公差帶	HSK空心錐柄公差帶
圖3 兩種標準的HSK安裝孔公差帶對比

表1 HSK柄和KM柄的結構對比

刀柄類型	HSK	KM
與主軸結合面	錐面 端面	錐面 端面
刀柄夾緊結構	用卡爪	用鋼球
刀柄規格	HSK-63B	KM6350
夾持直徑	?38mm	?40mm
柄部形式	空心短錐柄	空心短錐柄
夾緊力	18kN	33.5kN
夾緊后過盈量	3～10μm	10～25μm
柄部錐度	1:10	1:10

目前已廣泛應用的德國DIN69893-1標準與國際標準ISO12164之間的區別在于對HSK短錐空心柄尺寸的標注方法不同。DIN標準是通過規定短錐特定位置上大端直徑d₂和小端直徑d₃的直徑公差來控制錐度形狀位置。ISO12164標準則仍然采用常規錐度的標注方法，即只標注大端直徑和錐度比值．并不直接給出理想尺寸的公差值。由圖3和表2可知，按兩種標準加工出的柄部完全可以互換使用。但按ISO12164必規定的理想尺寸，其錐柄與錐孔配合的過盈量一般要比DIN標準規定的大一些。

3 適用于高速切削的新型夾頭

圖4 大昭和公司MEGA夾頭系列

圖5 SCHUNK公司液壓夾頭

強力彈簧夾頭 典型產品如日本大昭和公司生產的HMC和MEGA夾頭(見圖4) ，主要用于夾持立銑刀進行強力粗銑和模具加工，夾緊力可達300kgm，使用速度可達40,000r/min。液壓夾頭 液壓夾頭的夾持直徑一般在32mm以下，在距夾頭端部40mm處夾持的徑向跳動小于3μm，夾緊力超過83MPa。這種夾頭的優點是夾緊力均勻，夾持精度和重復精度高，對振動具有阻尼作用，工作壽命比機械夾頭提高3～4倍。另外，液壓夾頭出廠前都經過動平衡，適用于主軸轉速在15,000～40,000r/min 之間的高速加工，圖4所示為SCHUNK公司生產的液壓夾頭。目前SCHUNK公司、EPB公司、大昭和公司等均可生產完整系列的液壓夾頭產品。熱裝式夾頭 在2000 JIMTOF展覽會展出的高速加工中心上普遍采用了熱裝式夾頭。這種夾頭的夾持原理是利用感應加熱裝置在短時間內加熱刀柄的夾持部分，使刀柄內徑隨之脹大，裝入刀具后，內孔隨刀柄冷卻而收縮，從而將刀具夾緊。與液壓夾頭相比，熱裝式夾頭的夾持精度更高，傳遞扭矩增大1.5～2倍，徑向剛度提高2～3倍，能承受更大的離心力，因此非常適合夾持整體硬質合金銑刀高速銑削淬硬鋼模具。日本、德國等國的工具廠商已開發了用于刀具裝卸的相應加熱裝置。如德國OTTO BILZ公司的Thermo grip夾頭采用高能場的感應加熱線圈，可在10秒鐘內加熱夾頭夾持部位，裝卸刀具后，整個夾頭可在60秒內完全冷卻，因此可實現刀具的快速更換。由于加熱溫度在400℃ 以下，遠低于材料相變溫度，因此重復使用2,000次后夾頭精度仍可保持不變。HSK-63A～HSK100A的夾頭對應于15,000r/nTiN轉速的平衡等級為G2.5級。TRIBOS夾頭 TRIBOS三棱變形夾頭是SCHUNK公司開發的另一種用于模具加工刀具的夾緊方式。這種夾頭無夾緊元件，完全依靠夾持部分的彈性變形來夾緊刀具。它首次出現在CIMT'99展覽會上。動平衡夾頭 法國EPB公司生產的LIBRAFLEX系列刀柄帶有一對裝有配重的動平衡環，可在一定程度上補償夾頭裝夾刀具后產生的不平衡量。該系列產品包括裝刀部分為D型和ER型夾簧的彈簧夾頭以及削平柄卡頭，出廠時其不平衡量可調整到5gmm；無平衡環的裝D型夾簧的高精度彈簧夾頭出廠時的不平衡量可控制在3gmm。此外，EPB公司生產的GRAFLEX單刃微調鏜刀頭(見圖6 )可不用平衡機而自動實現平衡，其不平衡量控制在10～20gmm。

4 適用于高速切削的刀具材料

金屬陶瓷 TiC基、TiN基和TiCN基三類金屬陶瓷刀具可在300～500m/min切削速度范圍內高速精車鋼和鑄鐵。國內研制的TiCN基金屬陶瓷刀片FD22適用于精加工淬硬鋼，其耐磨性和允許切削速度均大大提高。陶瓷 陶瓷刀具主要包括氧化鋁基和氮化硅基兩大類，可在200～1,000m/min的切削速度范圍內高速切削軟鋼、淬硬鋼、鑄鐵及其合金等。陶瓷刀具的切削壽命可比普通硬質合金刀具提高2～10倍。氮化硅基陶瓷刀具耐熱性極佳，其切削速度可比硬質合金刀具提高3～10倍，在加工灰鑄鐵時具有明顯優勢。復合氮化硅陶瓷刀片FD03的強度雖稍有降低，但耐磨性卻顯著增強，因此非常適合用于高速切削；據有關資料報導，陶瓷刀具在日本、德國等工業發達國家的汽車工業中應用十分廣泛，已達刀具總消耗量的10%～15%以上，某些工廠甚至高達40%以上。據專家評估，我國陶瓷刀具的研發水平已達到國際先進水平，但應用水平相對滯后，與國外的差趾主要表現在制造工藝水平較低，高精度陶瓷刀片和某些品種陶瓷的質量較差。立方氮化硼(CBN) 立方氮化硼具有極高的硬度和紅硬性，是高速精加工、半精加工淬硬鋼、冷硬鑄鐵和高溫合金的理想刀具材料。聚晶金剛石(PCD) 聚晶金剛石刀具具有高硬度、高耐磨性、高導熱性、低摩擦系數等優良特性，適用于高速、高精度加工有色金屬及耐磨非金屬材料(如銑削硅鋁合金)，切削速度范圍可達300～3,500m/min。

5 適用于高速切削的刀具涂層

TiN涂層 TiN涂層是目前應用最為廣泛且工藝最為成熟的刀具涂層材料。在工業發達國家，TiN涂層在高速鋼刀具上的使用率己達全部高速鋼刀具的50%～70%，在復雜刀具上的使用率則已超過90%。但由于TiN涂層耐氧化性能較差，當使用溫度超過500℃ 時，涂層表面將明顯氧化而被燒損，加上TiN涂層硬度較低，已難以適應切削高速化對刀具涂層提出的更高要求。為此，國外投入了大量人力物力研究開發新型涂層材料和涂覆工藝，許多性能更為優良的新型涂層已投人生產應用。 TiCN涂層 TiCN涂層刀具的切削性能較TiN涂層刀具有很大提高。由于TiCN涂層具有更好的化學穩定性和抗氧化磨損性，因此在加工高合金鋼、不銹鋼、鐵合金和鎳合金時，刀具壽命可比TiN涂層刀具提高3～4倍。為提高刀片的耐磨性和抗崩刃性，日本住友公司在焊有CBN刀尖的可轉位車刀片上涂覆了TiCN TiN 陶瓷復合涂層，使這種刀片可切削60HRC以上的高硬度材料，且切削平穩，可獲得光滑的加工表面。TiAlN涂層 新開發的TiAlN涂層熱穩定性優異，在相同切削溫度下可保持比TiN涂層更高的硬度值，其維氏硬度高達3500HV，最高工作溫度可達800℃ 。在切削加工時，涂層表面會生成一層極薄的硬質惰性保護膜——非晶態Al₂O₃。因此，TiAIN 涂層刀具對高速切削加工(尤其是高速車削、干式銑削、小直徑孔的深孔鉆削等高速干式切削)具有更好的適應性。摻氧的氮碳化欽TiCNO涂層 TiCNO涂層具有很高的顯微硬度和化學穩定性，據資料介紹，這種涂層可起到相當于TiC Al₂O₃復合涂層的作用。金剛石涂層 在工業發達國家，金剛石涂層技術工藝已日趨成熟，各種金剛石涂層的硬質合金刀具大量涌現，并進入實用化階段。如日本OSG公司開發的超微細金剛石涂層的硬質合金立銑刀，在加工高硅鋁合金時具有優異的切削性能、抗粘附性以及較高的加工精度、刀具壽命和涂層韌性，加工表面粗糙度可達R_y0.66μm，明顯優于粗顆粒金剛石涂層的高速鋼立銑刀的加工表面質量(R_y4～10μm) ，甚至優于未徐層硬質合金立銑刀的加工表面質量(R_y0.78μm)。

6 高速切削刀具的動平衡

7 高速切削刀具的安全性要求

8 問題與對策