1 引言高速切削加工已成为现代机械制造技术的一个重要组成部分和发展方向。目前 ,工业发达国家已开始广泛使用机床主轴转速达每分钟上万转乃至数万转的高速切削机床。我国的汽车、拖拉机、航空航天等行业从国外引进的大量先进生产线、加工中心及高性能机床中 ,也包括不少高速切削机床。在机床主轴工作转速大幅度提高的情况下 ,传统的ＢＴ(7:2 4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ＨｏｈｌＳｃｈａｆｔＫｅｇｅｌ缩写 )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ＩＳＯ/ＴＣ2 9(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ＤＩＮ 6 9893<1> 。 1996年 5月 ,在ＩＳＯ/ＴＣ2 9/ＷＧ33审议会上 ,制订了以ＤＩＮ6 9893为基础的ＨＳＫ工具系统的ＩＳＯ标准草案ＩＳＯ/ＤＩＳ12 16 4。经过多次修订后 ,于 2 0 0 1年颁布了ＨＳＫ工具系统正式ＩＳＯ标准ＩＳＯ 12 16 4<3> 。 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ＤＩＮ6 9893、ＤＩＮ 6 90 6 3<2 > (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ＩＳＯ 12 16 4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 Ａ6 3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 Ａ6 3刀柄锥部与主轴锥孔的相关尺寸 (ＤＩＮ标准 )ｄ2 ｄ3ｌ2 (Ｌ2 )Ｄ2 ｌ3( Ｌ3)ＡＴ348+ 0 0 1 1 + 0 0 0 7ｍｍ 46 5 3 + 0 0 0 7+ 0 0 0 3ｍｍ 6 3ｍｍ 48+ 0 0 0 3- 0 0 0 1 ｍｍ 14 7ｍｍ 2 1″由图 1可见 ,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。(ａ)刀柄锥部公差带(ｂ)主轴锥孔公差带图 2 ＨＳＫ Ａ型刀柄锥部与主轴锥孔公差带 (ＤＩＮ标准 )对应于ＤＩＮ标准的ＨＳＫ Ａ6 3型主轴锥孔小端处的极限尺寸为 Ｄ3ｍａｘ=Ｄ2ｍａｘ- 2 Ｌ3 ｔａｎ(2°5 1′4 5″ -ＡＴ3/ 2 ) =4 6 5 34ｍｍ Ｄ3ｍｉｎ=Ｄ2ｍｉｎ- 2 Ｌ3ｔａｎ(2°5 1′4 5″) =4 6 5 2 9ｍｍ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Δ2ｍａｘ=ｄ2ｍａｘ-Ｄ2ｍｉｎ=12 μｍΔ2ｍｉｎ=ｄ2ｍｉｎ-Ｄ2ｍａｘ=4 μｍΔ3ｍａｘ=ｄ3ｍａｘ-Ｄ3ｍｉｎ=8μｍΔ3ｍｉｎ=ｄ3ｍｉｎ-Ｄ3ｍａｘ=- 1μｍ(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(ａ)刀柄锥部(ｂ)主轴锥孔图 3 ＨＳＫ Ａ型刀柄锥部及主轴安装孔的主要控制尺寸 (ＩＳＯ标准 )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 Ａ6 3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。表 2 ＨＳＫ Ａ6 3刀柄锥部与主轴锥孔的相关尺寸 (ＩＳＯ标准 )ｄ2 ｔｌ2 (Ｌ2 )Ｄ2 Ｔ48.0 10ｍｍ 0 .0 0 3ｍｍ 6.3ｍｍ 47.998ｍｍ 0 .0 0 2ｍｍ(ａ)刀柄锥部公差带(ｂ)主轴锥孔公差带图 4 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 Ａ6 3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=4 8.0 13ｍｍｄ2ｍｉｎ=ｄ2 -ｔ=4 8.0 0 7ｍｍ ｄ3ｍａｘ=ｄ2 - ｌ3 / 9.98+ｔ=4 6 .5 4 0ｍｍ ｄ3ｍｉｎ=ｄ2 - ｌ3 / 9.98-ｔ=4 6 .5 34ｍｍＤ2ｍａｘ=Ｄ2 +Ｔ =4 8.0 0 0ｍｍＤ2ｍｉｎ=Ｄ2 -Ｔ =4 7.996ｍｍ Ｄ3ｍａｘ=Ｄ2 - Ｌ3 / 10 +Ｔ =4 6 .5 30ｍｍ Ｄ3ｍｉｎ=Ｄ2 - Ｌ3 / 10 -Ｔ =4 6 .5 2 6ｍｍ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Δ2ｍａｘ=ｄ2ｍａｘ-Ｄ2ｍｉｎ=17μｍΔ2ｍｉｎ=ｄ2ｍｉｎ-Ｄ2ｍａｘ=7μｍΔ3ｍａｘ= ｄ3ｍａｘ- Ｄ3ｍｉｎ=14 μｍΔ3ｍｉｎ= ｄ3ｍｉｎ- Ｄ3ｍａｘ=4 μｍ 4 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。(1)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 (<0 .0 0 1ｍｍ) ,不存在差异。由于ＨＳＫ刀柄利用锥面实现径向定心 ,因此其径向定位精度由ＨＳＫ刀柄锥面大端与主轴锥孔大端的配合状况决定。以ＨＳＫ Ａ6 3型刀柄与主轴为例 ,按ＤＩＮ标准进行制造时 ,大端处的平均过盈量为 8μｍ ;而按ＩＳＯ标准进行制造时 ,大端处的平均过盈量为12 μｍ。因此采用ＩＳＯ标准更有利于保证刀柄的定位精度。(2 )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<5> 。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<5> 。图 5 ＨＳＫ刀柄在静载荷作用下的变形曲线ＳＫ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 Ａ6 3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 μｍ ,最小过盈量为 4
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