摘要：国产HSK空心锥柄工具系统近年来取得了较快发展，但其柄部制造质量还有待提高。以HSK63-A型柄部及其安装孔为例，分析了HSK空心锥柄的形位尺寸要求，介绍了HSK空心锥柄的质量检测及动平衡计算。
在现代汽车制造、飞机制造、气轮机制造等行业中，为提高生产效率，普遍采用高速和超高速切削，主轴转速达每分钟上万转乃至数万转的切削机床已屡见不鲜。在如此高的转速下，传统切削普遍采用的7:24工具锥柄显露出一系列缺点，已难以满足高速切削的加工要求。因此，国内外许多先进的生产线上已广泛采用一种新型的1:10短圆锥空心锥柄(HSK柄)来取代7:24圆锥柄。由于HSK工具锥柄在刚度、径向圆跳动精度、重复安装精度、刀具寿命等方面都具有优越性能，因此迅速得到普及推广。但是，由于各种类型的空心柄工具进口价格十分昂贵，因此必须立足于国内生产制造，开发国产HSK空心锥柄工具产品是我国工具行业面临的一项重要任务。
1HSK接口标准及接口部位的检测
目前，尚无正式的HSK接口国际标准(只有尚未颁布实施的ISO/DIS12164标准草案)，各国生产HSK接口相关产品(包括机床、工具系统、检测工具和仪器等)的厂家都是按照德国标准DIN69893和DIN69063进行设计、制造。DIN69893规定了HSK柄部的形状尺寸；DIN69063规定了HSK锥柄安装孔的形状尺寸。下面以HSK63-A型柄部及其安装孔为例，讨论HSK锥柄和安装孔的形位尺寸要求及检测方法。
1.1在DIN标准中，HSK柄部工具圆锥的尺寸决定于两断面的直径及公差。图1给出了HSK63-A柄部的主要尺寸。
车床上以高速、小进给量条件加工出来的，由于l6的起点和终点分别在孔内和孔外，所以测量该尺寸需要设计专用检具，这种HSK拉紧斜面测量检具的结构如图6所示。进行校准或检测时，先按下测头，将样件或HSK刀柄以锥面定心后，再放开圆盘测头，测头在弹簧作用下与斜面接触，进行比较测量。
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图6HSK拉紧斜面测量检具1.3由于HSK空心刀柄的孔壁较薄，为了减小键传动的接触应力，DIN69893中规定HSK锥柄尾端键槽应为圆弧形，且对圆弧中心的位置精度提出了严格要求(见图7，对于HSK63，图中尺寸值分别为：e1=18.110mm，e2=9.15mm，r3=2.88±0.02mm，b1=12.54±0.04mm)，4个圆弧应与键槽宽度b1相切。为控制圆弧键槽的形位精度，首先要保证b1的尺寸精度和对称度要求，然后再用专用检具检测4个圆弧的形位误差。
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图7HSK锥柄自小端沿轴线看的视图1.4在DIN标准中，HSK安装孔的型式尺寸是由一个直径尺寸及其公差、锥角及其偏差来确定的。图8为HSK63安装孔尺寸及其公差带。
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图8HSK63安装孔尺寸及其公差带在加工过程中，可用带千分表的锥度塞规来控制HSK安装孔的锥孔相对于端面的位置(对于HSK63，锥孔l2的公差控制在-0.03～+0.01mm之间)。图9所示为用基准环规校正带千分表塞规的情况。这些检具工厂可自行制造，但基准环规需经北京计量科学研究院标定，以保证HSK锥柄工具的互换性。
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图9HSK安装孔检具除了可用带表塞规检测HSK安装孔以外，还可用气动锥度塞规(见图10)或电感锥度塞规进行测量，但目前国内尚无产品供应，需特殊定货。
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图10气动锥度塞规2HSK刀柄的动平衡
对于镗铣类机床，如果安装在主轴上的刀柄动平衡不好，主轴转动时就会受到离心力作用，从而降低刀具回转平稳性，影响工件加工质量以及刀具和主轴轴承的使用寿命。为抵消离心力的作用，可通过在适当位置增加或减少一个相应的质量来达到刀柄的动平衡。如某些HSK夹头就是通过补偿孔(或补偿平面)来修正、抵消原有的不平衡量U。
2.1刀柄动平衡计算参数及公式
对刀柄进行动平衡计算时，需应用以下参数及计算公式：G——平衡等级指标(mm/s)，G=eΩ；M——物体质量(g)；Ω——角速度(/s)，Ω=2pN；N——HSK刀柄转速(r/min)；m——不平衡质量(g)；r——m的回转半径(mm)；e——重心偏距(µm)，e=G/Ω=U/M；U——不平衡量(g·mm)，U=mr=Me(见图11)；F——离心力(N)，F=UΩ2。
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图11不平衡量U的计算平衡等级G的计算实例
已知一个HSK锥柄夹头的质量M=1000g，经动平衡后仍有残余不平衡量U=3g·mm，试计算该夹头在N=20000r/min转速下工作时的平衡等级G。
由e=U/M，Ω=2pN/60可知
G=eΩ=2pNU/60M=pNU/30M
代入数值计算可得G≈6.3mm/s。同理可知：当工作转速N=8000r/min时，G≈2.5mm/s；当工作转速N=3200r/min时，G≈1mm/s。上述结果也可直接从图12所示的平衡等级列线图中直接查得。
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图12平衡等级列线图由上述结果可知：①当刀柄质量M相同、残余不平衡量U相同、工作转速N不同时，平衡等级G随之不同；②在不同转速下，要使平衡等级G相同，则当工作转速越高时其不平衡量U必须越小。
2.2HSK刀柄的平衡等级G推荐值及限制转速
当工作转速N=15000r/min时，HSK40～HSK63刀柄的平衡等级推荐值为G=6.3mm/s；当工作转速N=9000r/min时，HSK80～HSK100刀柄的平衡等级推荐值为G=6.3mm/s。
刀柄和刀具经过动平衡后，使用时的限制转速见下表。
刀柄规格限制转速
(r/min)刀柄规格限制转速
(r/min)HSK32