1 引言
2 离心力作用下的刀具联接系统
2.1 高速加工中刀具联接系统存在的问题
2.2 离心力作用下的变形情况
式中：a1，b1——分别为盘1的内径和外径
3 高速状态下联接系统变形分析
3.1 7:24锥度联接系统变形分析
- 离心力作用下的主轴和刀柄变形
- 在高速旋转时，主轴锥孔会在离心力作用下产生膨胀变形。通过采用有限元法对ISO 40 # 锥度主轴/ 刀柄联接系统进行模拟分析，可得到主轴和刀柄在不同转速时的膨胀变形情况，变形量为主轴或刀柄在离心力作用下的径向变形量，x为距主轴端面的距离，下同)。
- 由模拟分析结果可知，主轴和刀柄前端的膨胀变形量大于后端，其结果是引起锥角变化，在主轴前端形成“喇叭口”。
- 在高速旋转时，主轴锥孔会在离心力作用下产生膨胀变形。通过采用有限元法对ISO 40 # 锥度主轴/ 刀柄联接系统进行模拟分析，可得到主轴和刀柄在不同转速时的膨胀变形情况，变形量为主轴或刀柄在离心力作用下的径向变形量，x为距主轴端面的距离，下同)。
- 变形对径向刚度的影响
- 联接系统的刚度随轴向预紧力的增大而增大，随锥角误差的增大而减小。根据ISO 7388 标准，刀柄的锥度公差等级为AT4(角度公差为ATα=0 ～13")，主轴锥孔的角度公差等级为AT6(角度公差为ATα=0～-33")，即允许的角度配合误差为0～46"。角度误差对于联接系统的刚度影响极大，即使在满足标准规定的情况下，当误差分别为0 和46"时，系统的刚度也相差一倍。出现上述结果的原因在于：当主轴与刀柄的配合状况很好(角度误差很小)时，轴向预紧力将在接触面之间形成较均匀的接触压力，使锥面接触与受到均布压力的平面接触状况相似。但当角度误差较大时，轴向预紧力在主轴与刀柄的接触面之间形成的接触压力是不均匀的，在直径较大处压力较大，在直径较小处甚至可能失去接触，从而减小有效接触长度。因此，在离心力作用下，主轴和刀柄的膨胀变形将在其前端形成“喇叭口”，使锥角发生变化，联接系统的接触状况恶化，联接刚度降低。
- 变形对轴向定位精度的影响
- 刀具的轴向重复定位精度取决于其轴向位移的大小。在高速状态下，由于受到离心力作用，主轴和刀柄膨胀变形，最终导致刀具轴向位置的变化。刀柄轴向位移l 和径向间隙d的关系可表示为
l= d sinθ - 刀具的轴向重复定位精度取决于其轴向位移的大小。在高速状态下，由于受到离心力作用，主轴和刀柄膨胀变形，最终导致刀具轴向位置的变化。刀柄轴向位移l 和径向间隙d的关系可表示为
3.2 HSK 联接系统变形分析
- 离心力作用下的主轴和刀柄变形
- 用有限元分析模型对HSK联接的主轴和刀柄在离心力作用下的变形情况进行有限元模拟分析，可分别得到在不同转速时主轴和刀柄的膨胀变形量。通过对刀柄和主轴接触段的膨胀变形量进行多项式拟合，可得到高速旋转时刀柄和主轴在离心力作用下的扩张变形情况。
- 通过对ISO 40 # 标准锥度主轴、刀柄与HSK-63A主轴、刀柄的膨胀变形情况进行比较，可以看出：ISO40#标准锥度主轴和刀柄前端的变形量比后端变形量大得多，主轴和刀柄之间的间隙也不均匀，呈现“喇叭口”形状；而HSK-63A空心薄壁结构刀柄在高速旋转时将产生较大的膨胀变形量，可在一定程度上弥补主轴的膨胀变形，因此刀柄和主轴锥面之间的间隙要小于40#标准锥度刀柄联接系统；此外，HSK-63A主轴和刀柄变形后的间隙分布要比40#标准锥度联接系统变形后的间隙均匀得多，其前、后端的间隙量相差很小，只是在联接的中段出现了较大间隙，但其偏差不超过16%。因此，HSK-63A空心薄壁结构刀柄的膨胀变形特点有利于通过过盈量来弥补其与主轴之间的间隙。
- 用有限元分析模型对HSK联接的主轴和刀柄在离心力作用下的变形情况进行有限元模拟分析，可分别得到在不同转速时主轴和刀柄的膨胀变形量。通过对刀柄和主轴接触段的膨胀变形量进行多项式拟合，可得到高速旋转时刀柄和主轴在离心力作用下的扩张变形情况。
- 过盈量与轴向预紧力
- DIN标准给出的HSK联接刀柄尺寸公差。在d1处的过盈量和公差分别为10µm和±4µm。
- HSK联接系统的一个重要特点是实现了主轴端面和锥面同时接触定位。在高速状态下，其主轴和刀柄锥面之间同样会出现间隙。根据有限元分析结果，当主轴转速达到30000r/min时，刀柄和主轴锥孔之间的间隙量达到5～6µm，为弥补这一间隙，需有11～12µm 的过盈量才能实现端面和锥面同时接触定位。另一方面，在这么大的过盈量下，当主轴处于静态或转速较低时，需要很大的预紧力才能实现主轴端面和刀柄法兰之间的接触定位。通过有限元模拟分析，可得到在不同过盈量时保持主轴与刀柄端面接触所需的轴向预紧力(见上表)。
- 根据有限元模拟分析结果，为适应高速切削加工的要求，HSK-63A联接系统的过盈量应为15～20µm；为保证接触端面间一定的接触压力，推荐采用的轴向预紧力为15～20kN。
- DIN标准给出的HSK联接刀柄尺寸公差。在d1处的过盈量和公差分别为10µm和±4µm。
4 结论
- HSK刀柄联接系统采用端面与锥面同时接触定位方式和空心刀柄结构，具有联接刚度高、轴向和径向重复定位精度高、系统尺寸小、重量轻、结构紧凑等特点。与传统的7:24标准锥度联接相比，HSK 联接系统更适用于高速加工。
- 刀柄和主轴的联接需要一定过盈量。DIN标准中规定的过盈量偏小，HSK-63A联接系统的过盈量应为15µm，在此过盈量下，为保证低速时实现刀柄和主轴的锥面和端面同时接触定位，所需的预紧力推荐值为15～20kN。
