HSK和BT刀柄种类规格.docx
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HSK和BT刀柄种类规格
HSK和BT刀柄种类规格
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
2006-11-3010:
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5μm,轴向重复定位精度高达1μm。
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DIN6989 B-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倍。
对于尺寸相同的KM6350刀柄和HSK~63B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/μm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hohl schaft kegel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。
2 hsk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。
3 din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、din69063(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1 hsk-a型刀柄锥部与主轴锥孔的主要控制尺寸(din标准)表1 hsk-a63刀柄锥部与主轴锥孔的相关尺寸(din标准)d2d3l2(l2)d2l3(l3)at3mm"48+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,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*l3 tg(2°51'45"-at3/2)=46.534mm
*d3min=d2min-2*l3 tg(2°51'45")=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?
m
d2min=d2min-d2max=4?
m
d3max=d3max-d3min=8?
m
d3min=d3min-d3max=-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、l3、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=48.0 13mm
d2min=d2-t=48.007mm*d3max=d2-*l3/ 9.98+t=46.540mm
*d3min=d2 -*l3/9.98-t=46.534mm
d2max=d2+t=48.000mm
d2min=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?
m
d2min=d2min-d2max=7?
m
d3max=*d3max-*d3min=14?
m
d3min=*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
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