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对HSK刀柄材料的特殊要求
发布日期:[2009-4-23]    共阅[4042]次
    

  

    HSK空心短锥柄技术出现以来,在世界各国得到广泛应用。据了解,欧洲和北美洲的一些用户,在使用HSK刀柄时遇到了一些问题。出现这些问题的主要原因在于,他们对制造HSK刀柄的材料选择不当。

    DIN标准仅规定了HSK刀柄的几何形状,而没有规定所用的材料。所以,几乎所有的刀具供应商所生产的HSK刀柄,都完全参照传统的724锥柄来生产。HSK空心短锥柄的空心本身就说明具有潜在的问题:即轴向截面很小,显然这是HSK空心短锥柄的薄弱环节。

    传统的刀柄一般是由合金钢制造,然后或是表面淬火或是表面处理,得到了一个坚硬耐磨的表面和韧性的心部(HRC3236)。这些热处理过程(如渗碳和离子氮化,硬度可达HRC5862,约1mm)724锥柄非常适合,价格也不贵。由于它具有足够的横截面,所以实际上不易变形。按照工业上能够接受的指导准则,这种尺寸比较稳定的基体把两种性能完美地结为一体——有较软而韧性的芯部,可防止硬表面因变形而爆裂脱落,又有很耐磨坚硬的表面。

    但对HSK空心短锥柄就不同了,它被做成结构截面很小,对于HSK63以下的小规格HSK空心短锥柄就没有强韧的心部来支承坚硬的表面,在每次夹紧松开循环中都要受到很大的冲击,切削过程中又受到动态的弯扭交变载荷,在淬硬的脆性部位可能会出现微小的裂纹,在HSK刀柄的柄部的一些部位,对较大的拉应力非常敏感。这些部位有30°夹紧面、扭矩传递时键槽与主轴接触的表面以及径向贯穿孔与键槽底部、空刀槽底部最近的部位。这些微小的裂纹随时间而扩展难以发现,事实上不通过显微镜和特殊的检测手段很难发现这些变化。一个刀柄看上去工作正常,一旦过载,在出现裂纹的部位应力集中,当达到临界值时就很可能发生断裂。在使用过程中,这种脆性断裂随时可能发生。

    有些制造厂商用淬透性材料。这时,截面上不同点的性质大体相同,刀柄的延伸率、屈服强度和冲击强度可能达到最佳组合。但是,相对于表面淬硬的刀柄,其硬度将是最低的(约低56HRC)。这种刀柄缺乏冲击强度,不耐磨,因此不得不经常更换。

    所以要想达到最高的韧性、最高的耐磨性和耐腐蚀性的同时,又要成本低廉,这是不可能的。我们不能改变产品的几何形状,它是标准的。我们也受大量生产成本的制约,不可能采用昂贵的空间材料和技术。为了能使这种具备许多优点的新接口在生产中得到广泛应用,我们只有不断地探索。

    制造厂商和用户必须对刀柄材料做出选择。一种是对材料要求有高的强度、韧性并带有适度的耐磨性;另一种是要求有高的耐磨性兼有中等强度。

    分析结果表明,HSK主轴安装孔应力最大的横截面,应具有较大的截面面积,而且尽量不用对应力集中敏感的材料。但必须能适应高速加工,即重量要轻,在离心力作用下径向变形要小。

    在带有自动换刀的数控加工中心上,典型的工具接口之间的摩擦都有多个对1的比率。就是说,刀柄在换刀循环中仅摩擦一次,而主轴孔则要与完成此工序的许多不同刀柄摩擦很多次。

    例如,假定有一台CNC加工中心的刀库有32个刀位,而且都在使用。每个工序切削时间为5分钟,机床每天工作10小时。在同一工件加工中每把刀具只使用一次。这样,对主轴来讲,每天要摩擦120次,而对每把刀柄只有4次。据此可推出,这台机床工作年限内摩擦次数的比率。这个数字说明主轴摩擦次数比刀柄的摩擦次数要大得多,对任何形式的工具接口都是一样。

    传统的724锥度主轴磨损的结果是成为喇叭口,这是一个难以察觉的很缓慢的过程。但是,磨损带来的结果是刀具振动、跳动增加、刀具轴向定位尺寸发生变化。这时就要重磨主轴孔。要想减低磨损速度,就要用相对低的压力。

    HSK刀柄被夹紧时,主轴孔与刀柄之间有很大的压力。由于其锥度系110(半角为2°51′27″)——是个自锁角度,卸刀柄时需要一个附加的卸出力,这对主轴孔也是一个摩擦过程。由于110的锥度很小,径向每磨损0.0025mm,就会影响0.025mm的轴向间隙,这样也会影响到夹紧机构的夹紧状态,可能会引起故障。因此,要使HSK主轴磨损尽量减至最小。另外一个重要原因是HSK主轴的价格。由于HSK主轴实际上是不能修的,因为重磨锥度会使锥度直径超差,并影响到夹紧机构的压紧位置。又由于它精度要求高,又要用很大长径比的铣刀加工内驱动键,所以它的价格很贵,为延长主轴寿命,刀柄最好用同一种材料制造,建议最小屈服强度应是14000kg/cm2,拉伸强度应为15400kg/cm2。而且应降低刀柄的硬度(平均HRC50),比主轴硬度低68度,以保护昂贵的主轴。这样,刀柄受力表面硬度下降,也使它的制造周期缩短、成本降低。

 
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