刀柄的現狀——工具與機床的橋樑
刀柄與機床主軸相連，切削刀具通過夾頭裝入刀柄之中。高速切削加工對刀具系統的要求所謂刀具系統是指由刀柄、夾頭和切削刀具所組成的完整的刀具體系。
要使刀具系統能在高速下進行切削加工，應滿足以下基本條件：較高的系統精度系統精度包括系統定位夾持精度和刀具重複定位精度，前者指刀具與刀柄、刀柄與機床主軸的連接精度；後者指每次換刀後刀具系統精度的一致性。刀具系統具有較高的系統精度，才能保證高速加工條件下刀具系統應有的靜態和動態穩定性。較高的系統剛度刀具系統的靜、動剛度是影響加工精度及切削性能的重要因素。
刀具系統剛度不足會導致刀具系統振動，從而降低加工精度，並加劇刀具的磨損，降低刀具的使用壽命。較好的動平衡性高速切削加工條件下，微小品質的不平衡都會造成巨大的離心力，在加工過程中引起機床的急劇振動。因此，高速刀具系統的動平衡非常重要。傳統實心長刀柄結構存在的問題目前，在數控銑床、數控鏜床和加工中心上使用的傳統刀柄是標準7:24錐度實心長刀柄。
這種刀柄與機床主軸的連接只是靠錐面定位，主軸端面與刀柄法蘭端面間有較大間隙。這種刀柄結構在高速切削條件下會出現下列問題：刀具動、靜剛度低刀具高速旋轉時，由於離心力的作用，主軸錐孔和刀柄均會發生徑向膨脹，膨脹量大小隨旋轉半徑和轉速的增大而增大。
這就會造成刀柄的膨脹量小於主軸錐孔的膨脹量而出現配合間隙，使得本來只靠錐面結合的低剛性連接的剛度進一步降低。動平衡性差標準7:24錐度柄較長，很難實現全長無間隙配合，一般只要求配合前段70%以上接觸，而後段往往會有一定間隙。該間隙會引起刀具的徑向圓跳動，影響刀具系統的動平衡。重複定位精度低當採用ATC(Automatic Tool Changing，自動換刀)方式安裝刀具時，由於錐度較長，難以保證每次換刀後刀柄與主軸錐孔結合的一致性。同時，長刀柄也限制了換刀過程的高速化。
多種新型刀柄的開發與應用為了適應高速切削加工對刀具系統的要求，最近10年各工業發達國家相繼研製開發了多種新型結構的刀柄。簡介如下。HSK刀柄HSK(德文Hohlschaftkegel縮寫)刀柄是德國阿亨(Aachen)工業大學機床研究所在20世紀90年代初開發的一種雙面夾緊刀柄，它是雙面夾緊刀柄中最具有代表性的。HSK刀柄已於1996年列入德國DIN標準，並於2001年12月成為國際標準ISO12164。由於其剛度和重複定位精度較標準7:24錐度柄提高了幾倍至幾十倍，因此在機械製造業得到了廣泛的認同和採用。例如，在德國賓士汽車公司和大眾汽車公司，HSK刀柄被廣泛用於銑削、鑽削和車削加工中。
在我國一汽大眾公司的發動機、傳動器生產線上共有二百五十多台數控機床採用了HSK高速短錐空心柄工具系統，共6個規格。HSK刀柄由錐面(徑向)和法蘭端面(軸向)雙面定位，實現與主軸的剛性連接，如圖1所示。當刀柄在機床主軸上安裝時，空心短錐柄與主軸錐孔能完全接觸，起到定心作用。此時，HSK刀柄法蘭盤與主軸端面之間還存在約0.1mm的間隙。在拉緊機構作用下，拉杆的向右移動使其前端的錐面將彈性夾爪徑向脹開，同時夾爪的外錐面作用在空心短錐柄內孔的30°錐面上，空心短錐柄產生彈性變形，並使其端面與主軸端面靠緊，實現了刀柄與主軸錐面和主軸端面同時定位和夾緊的功能。
HSK刀柄與主軸連接結構與工作原理這種刀柄結構的主要優點是：有效地提高刀柄與機床主軸的結合剛度。由於採用錐面、端面過定位結合，使刀柄與主軸的有效接觸面積增大，並從徑向和軸向進行雙面定位，大大提高了刀柄與主軸的結合剛度，克服了傳統的標準7:24錐度柄在高速旋轉時剛度不足的弱點。有較高的重複定位精度，並且自動換刀動作快，有利於實現ATC的高速化。由於採用1:10的錐度，其錐部長度短(大約是7:24錐柄相近規格的一半)。每次換刀後刀柄與主軸的接觸面積一致性好，故提高了刀柄的重複定位精度。由於採用空心結構，品質輕，便於自動換刀。具有良好的高速鎖緊性。刀柄與主軸間由彈性擴張爪鎖緊，轉速越高，擴張爪的離心力越大，鎖緊力越大。按德國DIN標準的規定，HSK刀柄採用平衡式設計，其結構形式有A、B、C、D、E、F6種型式，每一種型式又有多種尺寸規格。A、B型為自動換刀刀柄，C、D型為手動換刀刀柄，E、F型為無鍵連接，適用於超高速切削用刀柄。
KM 刀柄與主軸連接結構KM刀柄KM刀柄是美國肯納(Kennametal)公司與德國懷迪爾(Widia，行業內常譯為威迪亞)公司于1987年聯合開發出來的，與HSK刀柄並存的1:10短錐空心柄，其結構如圖2所示。KM刀柄首次提出了端面與錐面雙面定位原理。KM刀柄採用了1：10短錐配合，配合長度短，僅為標準7:04錐柄相近規格長度的1/3，部分解決了端面與錐面同時定位而產生的干涉問題。
另一方面，KM刀柄與主軸錐孔間的配合過盈量較高，可達HSK刀柄結構的2～5倍，其連接剛度比HSK刀柄還要高。同時，與其他類型的空心錐柄連接相比，相同法蘭外徑採用的錐柄直徑較小，因而主軸錐孔在高速旋轉時擴張小，高速性能好。HSK刀柄和KM刀柄存在的問題由於採用雙面定位，造成刀柄在主軸內孔產生過定位。要很好實現過定位，就要求刀柄錐面和法蘭盤端面自身有較高的形狀精度以及相互位置精度，這給刀柄的製造增加了難度。因而這種類型的刀柄製造成本較高，其價格通常是常規標準7:24錐柄的1.5～2倍。它與傳統的主軸端部結構和刀柄不相容，不能直接用於傳統的機床，需對機床主軸端部進行重新設計。
當然，目前國外許多機床廠家生產的高速機床其主軸端部直接按與中空短錐結構刀柄結合設計。如2003年4月在北京舉行的第八屆中國國際機床展覽會上，幾乎所有的高速機床均採用了HSK刀柄。製造刀柄的材料要求較高。由於這種刀柄採用過定位，要求其受熱變形小而均勻，否則將會破壞原有的定位精度，且不易裝卸。
BIG-PLUS刀柄 對高速切削加工用刀柄的研究改型除了德國和美國外，日本一些公司也致力於對原7:24實心長錐柄進行多種形式的改進，以達到雙面定位，提高定位精度和剛度的目的，如日本NIKKEN公司的3LOCK SYSTEM錐柄，BIG DAISHOWA SEIKI公司的BIG-PLUS精密錐柄和聖和精機株式會社開發的SHOWA D-F-C刀柄等。
這些刀柄都是在原標準7:24錐柄基礎上進行了一定改進。BIG-PLUS刀柄的錐度仍然是7:24。其工作原理是：將刀柄裝入主軸錐孔鎖緊前，端面的間隙小。鎖緊後利用主軸內孔的彈性膨脹補償端面間隙，使刀柄端面與主軸端面貼緊，從而增大其剛度。這種刀柄同樣採用了過定位，因而必須嚴格控制其形狀精度和位置精度，其製造工藝難度比HSK刀柄還要高。這種改進型錐柄可與原7:24錐柄互換使用，可應用于原主軸錐孔。
但從適應機床轉速進一步高速化的發展要求，1:10短錐空心柄則更有發展前途。所以，更多的日本公司還是積極採用德國DIN標準的HSK刀柄，如NT工具公司、黑田精工、聖和精機、三菱金屬等先後引進HSK生產技術。綜上所述，高速切削加工用刀柄的發展趨勢是採用雙面過定位原理，提高刀柄系統的結合剛度。同時，解決好刀柄過定位帶來的相關問題，並不斷改善刀柄材料的性能。我國對高速切削刀具的研究我國對高速切削技術的研究起步較晚。
例如，一汽大眾捷達、奧迪轎車發動機、傳動器零部件生產線上所使用的高速刀具均為進口產品(來自49個外國公司)。由此可見，如何實現高速切削刀具系統的全面國產化、商品化，以降低工具成本費用，是我國提高汽車及其他機電產品的國際競爭力的有力措施。當前，雖然國內已有一些工具廠能仿造HSK刀柄，但在產品品質上仍存在不少問題，如精度難以達到德國的DIN標準或ISO國際標準，刀柄材料熱變形較大，造成刀柄裝配精度低，而且不易裝卸等。因此，要實現國產化的HSK刀柄或KM刀柄，除解決加工精度之外，解決好高速刀具刀柄材料也是一個十分緊迫的問題。
資料來源:金屬加工論壇
Schaftfräser
Fraises
End mills
Frese
Expata Business Company is a professional supplier and wholesaler of various types of solid carbide cutting tools in Taiwan.
We specialize in selling many kind of high speed and high hardness of solid carbide cutting tools, precision end mills(such as 2or 4 flutes ball,corner radius,aluminum end mills),drill bits(such as DIN338 or DIN1897) for CNC machinery processing and other related cutting systems.
Expata delivers superior performance and reliability.
All of our cutting tools are manufactured by Swiss 5-axis CNC grinding machine and made of German carbide rods.
More versatile tools can support the “complete machining” trend on CNC mill-turn centers.
For more information of our products, please contact
ijaui.service@gmail.com
Or,visit
http://www.ijaui.com.tw/
SHOP ON LINE: http://endmills.en.alibaba.com/
好業績需要有優良刀具做基礎，
溢晁億公司生產各式高速及高硬度切削用之鎢鋼刀具，精密銑刀、鎢鋼鑽頭、標準絲攻；16角面銑刀,T型銑刀、界限螺紋栓環規、銑刀鑽頭研磨機及其他各式精密切削工具。所有刀具原料皆來自德國原廠材料，廠區更採用瑞士五軸CNC刀具研磨機。並銷售各家著名品牌如SUS、HKF、歐樂(HOL)、益壯(YT)、Europa Tool等刀具。若您注重產品品質、交貨速度、產品創新，欲擴展您的產品線，找溢晁億就對了！我們將提供具競爭力的價格及詳細的合作方式，歡迎成為我們的經銷商！
歡迎洽詢：04-7555999
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官網：http://www.ijaui.com.tw
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刀具系統剛度不足會導致刀具系統振動，從而降低加工精度，並加劇刀具的磨損，降低刀具的使用壽命。較好的動平衡性高速切削加工條件下，微小品質的不平衡都會造成巨大的離心力，在加工過程中引起機床的急劇振動。因此，高速刀具系統的動平衡非常重要。傳統實心長刀柄結構存在的問題目前，在數控銑床、數控鏜床和加工中心上使用的傳統刀柄是標準7:24錐度實心長刀柄。
這種刀柄與機床主軸的連接只是靠錐面定位，主軸端面與刀柄法蘭端面間有較大間隙。這種刀柄結構在高速切削條件下會出現下列問題：刀具動、靜剛度低刀具高速旋轉時，由於離心力的作用，主軸錐孔和刀柄均會發生徑向膨脹，膨脹量大小隨旋轉半徑和轉速的增大而增大。
這就會造成刀柄的膨脹量小於主軸錐孔的膨脹量而出現配合間隙，使得本來只靠錐面結合的低剛性連接的剛度進一步降低。動平衡性差標準7:24錐度柄較長，很難實現全長無間隙配合，一般只要求配合前段70%以上接觸，而後段往往會有一定間隙。該間隙會引起刀具的徑向圓跳動，影響刀具系統的動平衡。重複定位精度低當採用ATC(Automatic Tool Changing，自動換刀)方式安裝刀具時，由於錐度較長，難以保證每次換刀後刀柄與主軸錐孔結合的一致性。同時，長刀柄也限制了換刀過程的高速化。
多種新型刀柄的開發與應用為了適應高速切削加工對刀具系統的要求，最近10年各工業發達國家相繼研製開發了多種新型結構的刀柄。簡介如下。HSK刀柄HSK(德文Hohlschaftkegel縮寫)刀柄是德國阿亨(Aachen)工業大學機床研究所在20世紀90年代初開發的一種雙面夾緊刀柄，它是雙面夾緊刀柄中最具有代表性的。HSK刀柄已於1996年列入德國DIN標準，並於2001年12月成為國際標準ISO12164。由於其剛度和重複定位精度較標準7:24錐度柄提高了幾倍至幾十倍，因此在機械製造業得到了廣泛的認同和採用。例如，在德國賓士汽車公司和大眾汽車公司，HSK刀柄被廣泛用於銑削、鑽削和車削加工中。
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HSK刀柄與主軸連接結構與工作原理這種刀柄結構的主要優點是：有效地提高刀柄與機床主軸的結合剛度。由於採用錐面、端面過定位結合，使刀柄與主軸的有效接觸面積增大，並從徑向和軸向進行雙面定位，大大提高了刀柄與主軸的結合剛度，克服了傳統的標準7:24錐度柄在高速旋轉時剛度不足的弱點。有較高的重複定位精度，並且自動換刀動作快，有利於實現ATC的高速化。由於採用1:10的錐度，其錐部長度短(大約是7:24錐柄相近規格的一半)。每次換刀後刀柄與主軸的接觸面積一致性好，故提高了刀柄的重複定位精度。由於採用空心結構，品質輕，便於自動換刀。具有良好的高速鎖緊性。刀柄與主軸間由彈性擴張爪鎖緊，轉速越高，擴張爪的離心力越大，鎖緊力越大。按德國DIN標準的規定，HSK刀柄採用平衡式設計，其結構形式有A、B、C、D、E、F6種型式，每一種型式又有多種尺寸規格。A、B型為自動換刀刀柄，C、D型為手動換刀刀柄，E、F型為無鍵連接，適用於超高速切削用刀柄。
KM 刀柄與主軸連接結構KM刀柄KM刀柄是美國肯納(Kennametal)公司與德國懷迪爾(Widia，行業內常譯為威迪亞)公司于1987年聯合開發出來的，與HSK刀柄並存的1:10短錐空心柄，其結構如圖2所示。KM刀柄首次提出了端面與錐面雙面定位原理。KM刀柄採用了1：10短錐配合，配合長度短，僅為標準7:04錐柄相近規格長度的1/3，部分解決了端面與錐面同時定位而產生的干涉問題。
另一方面，KM刀柄與主軸錐孔間的配合過盈量較高，可達HSK刀柄結構的2～5倍，其連接剛度比HSK刀柄還要高。同時，與其他類型的空心錐柄連接相比，相同法蘭外徑採用的錐柄直徑較小，因而主軸錐孔在高速旋轉時擴張小，高速性能好。HSK刀柄和KM刀柄存在的問題由於採用雙面定位，造成刀柄在主軸內孔產生過定位。要很好實現過定位，就要求刀柄錐面和法蘭盤端面自身有較高的形狀精度以及相互位置精度，這給刀柄的製造增加了難度。因而這種類型的刀柄製造成本較高，其價格通常是常規標準7:24錐柄的1.5～2倍。它與傳統的主軸端部結構和刀柄不相容，不能直接用於傳統的機床，需對機床主軸端部進行重新設計。
當然，目前國外許多機床廠家生產的高速機床其主軸端部直接按與中空短錐結構刀柄結合設計。如2003年4月在北京舉行的第八屆中國國際機床展覽會上，幾乎所有的高速機床均採用了HSK刀柄。製造刀柄的材料要求較高。由於這種刀柄採用過定位，要求其受熱變形小而均勻，否則將會破壞原有的定位精度，且不易裝卸。
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但從適應機床轉速進一步高速化的發展要求，1:10短錐空心柄則更有發展前途。所以，更多的日本公司還是積極採用德國DIN標準的HSK刀柄，如NT工具公司、黑田精工、聖和精機、三菱金屬等先後引進HSK生產技術。綜上所述，高速切削加工用刀柄的發展趨勢是採用雙面過定位原理，提高刀柄系統的結合剛度。同時，解決好刀柄過定位帶來的相關問題，並不斷改善刀柄材料的性能。我國對高速切削刀具的研究我國對高速切削技術的研究起步較晚。
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