刀柄结构优化：干切削刀具的创新设计

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：干切削加工时的刀具系统必须有良好的平衡状态和安全性。除刀具本身外，高速干切削同时对刀具与机床主轴间的连接刚性、精度及可靠性也提出了严格的要求。HSK和KM系列刀柄的结构特点见表3-3。表3-3 HSK和KM系列刀柄的结构特点图3-14 HSK工具系统a）刀柄结构原理 b）刀柄结构形式1）HSK工具系统采用1∶10锥度，刀柄为中空短柄，如图3-14a所示。图3-15为A型HSK面铣刀刀柄结构尺寸图。图3-16为HSK型刀柄及其连接结构图。

干切削加工时的刀具系统必须有良好的平衡状态和安全性。在普通机床上进行干切削加工，刀具的安装和普通加工相差不多。但是，在高速机床上进行干切削，对刀具系统的平衡性和安全性则有着更高的要求。刀柄是高速干切削加工的一个关键部件，它的一端与机床主轴连接，另一端与刀具连接，传递机床的动力和精度。

在高速干切削中，刀片的固定、刀头与主轴的连接等问题，不仅涉及安全方面，还决定着高速干切削能否实现。为了估算刀体结构强度和夹紧的可靠性，国外已开发了高速铣刀的有限元FEM（Finite Ele-ment Methods）模型。根据FEM计算和相关试验表明，可转位铣刀失效有两种形式，一是由于夹紧螺钉被剪断，使得刀片和其他夹紧零件甩飞；另一种是刀体破碎。对直径80mm铣刀的模拟计算和相关试验表明，夹紧螺钉在转速为30000～35000r/min时已达失效临界状态。因此，从安全的角度出发，需要对不同刀具结构在高速干切削条件下的转速许用值进行研究。

除刀具本身外，高速干切削同时对刀具与机床主轴间的连接刚性、精度及可靠性也提出了严格的要求。传统的7∶24锥度工具系统由于连接刚性较差，轴向尺寸不稳定，已不适合高速干切削的要求，目前大多数采用20世纪90年代德国开发的HSK（HohlSchaft Kegel）空心短锥柄，美国KM（Kenna Metal）公司开发的空心短锥柄KM系列，以及日本精机开发的精密锥柄BIG PLUS工具系统。HSK和KM系列刀柄的结构特点见表3-3。

表3-3 HSK和KM系列刀柄的结构特点

图3-14 HSK工具系统

a）刀柄结构原理 b）刀柄结构形式

1）HSK工具系统采用1∶10锥度，刀柄为中空短柄，如图3-14a所示。其工作原理是靠锁紧力及主轴内孔的弹性膨胀来补偿端面间隙。由于中空刀柄自身有较大的弹性变形，因此，对刀柄的制造精度要求相对较低；又由于HSK工具系统质量较小，柄部又较短，这样有利于高速自动换刀及机床小型化。但中空短柄结构也使其系统刚性和强度受到了一定影响。HSK整体式刀柄采用平衡式设计，刀柄结构有A型、B型、C型、D型、E型、F型六种形式，如图3-14b所示。图3-15为A型HSK面铣刀刀柄（HSK50ADIN69893）结构尺寸图。国内多采用A型和C型标准，例如，HSK50A，HSK63A，HSK100A。实际应用时，HSKS0和HSK63刀柄适用的主轴转速可达25000r/min，HSK100刀柄适用的主轴转速为12000r/min。图3-16为HSK型刀柄及其连接结构图。

图3-15 A型HSK面铣刀刀柄（HSK50ADIN69893）结构尺寸图(https://www.chuimin.cn)

2）BIG-PLUS工具系统采用7∶24锥度，图3-17所示的结构设计可减小刀柄装入主轴时（锁紧前）与端面的间隙，锁紧后可利用主轴内孔的弹性膨胀对该间隙进行补偿，使得刀柄与主轴的端面贴紧。这种结构形式的特点包括：

图3-16 HSK型刀柄及其连接机构

图3-17 BIG-PLUS工具系统

① 增大了与主轴的接触面积，增加了系统的刚性，提高了对振动的衰减作用。

② 采用端面的矫正作用提高了刀具自动换刀的重复精度。

③ 端面的定位作用使系统的轴向尺寸更加稳定。

④ 与传统的7∶24工具系统有互换性。

3）除此之外，涉及刀具寿命和安全性的设计还包括：刀具系统的平衡设计，减小径向和轴向圆跳动，控制平衡精度等。例如，刀具夹紧的最新趋势是采用冷缩式夹紧机构（或称热装式），装夹时利用感应或热风加热使刀杆孔膨胀，取出旧刀具，装入新刀具，然后采用冷风使刀具冷却到室温，利用刀杆孔与刀具外径的过盈量咬合夹紧，这种结构刀具的径向圆跳动为4μm左右，刚性高，动平衡性好，夹紧力大，高转速下仍能保持高的夹紧可靠性，特别适用于高速铣削加工。

刀柄结构优化：干切削刀具的创新设计

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