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高速加工工具系统的研究及其进展-高速加工
1 引言
高速加工是集材料科学、工程力学、机械动力学和制造科学于一体的高新加工技术，在汽车制造、航空航天和机械加工多个行业得到了越来越广泛的应用。高速加工工具系统是高速加工机床的重要组成部分，其性能直接影响到加工质量和加工效率。因此，高速加工工具系统的研究与开发倍受国内外机械工程专家和学者的关注。
半个多世纪以来，传统的BT(7:24锥度)工具系统在机械加工中发挥了重要作用。但是，在高速加工中，主轴工作转速达到每分钟数万转，在离心力作用下，主轴孔的膨胀量比实心的刀柄大，使锥柄与主轴的接触面积减少，导致BT工具系统的径向刚度、定位精度下降；在夹紧机构拉力的作用下，BT刀柄的轴向位置发生变化，轴向精度下降，从而影响加工精度；机床停车时，刀柄内陷于主轴孔内将很难拆卸。另外，由于BT工具系统仅使用锥面定位、夹紧，还存在换刀重复精度低、连接刚度低、传递扭矩能力差、尺寸大、重量大、换刀时间长等缺点。为解决上述问题，美国、德国、日本等工业发达国家相继开发出若干新型工具系统，以满足现代机械加工生产的要求。
2 国外新型工具系统的开发
2.1 HSK工具系统
HSK刀柄是德国阿亨工业大学机床研究所研究开发的一种新型的高速短锥刀柄，其结构特点是空心、薄壁、短锥，锥度为1:10；端面与锥面同时定位、夹紧，刀柄在主轴中的定位为过定位；使用由内向外的外涨式夹紧机构。
HSK工具系统最突出的特点就是端面和锥面同步接触。夹紧时，由于锥部有过盈，所以锥面受压产生弹性变形，同时刀柄向主轴锥孔轴向位移，以消除初始间隙，实现端面之间的贴合，这样就实现了双面同步夹紧。就其本身的定位而言，这种保证锥面和端面同时定位的方式实质上是过定位。HSK接口的径向精度是由锥面接触特性决定的，这一点与BT锥柄一致(二者的径向精度均可达到0.2μm)。HSK接口的轴向精度由接触端面决定，这与BT锥柄明显不同，中空结构是HSK刀柄的一个重要特征。要实现双面接触，锥面必须产生弹性变形，与实心柄相比，空心柄产生弹性变形容易得多，所消耗的夹紧力也小得多，而当主轴高速回转时，空心薄壁的径向膨胀量与主轴内锥孔相差不大，有利于在较大转速范围内保持锥面的可靠接触。HSK刀柄的空心柄部还为夹紧机构提供了安装空间，以实现由内向外的夹紧。这种夹紧方式可以把离心力转化为夹紧力，使刀柄在高转速下工作时夹紧更为可靠。此外，HSK刀柄的空心柄部还使内部切削液的供应成为可能。
HSK工具系统以其定位精度高，静、动态刚度高，尺寸小、重量轻、结构紧凑，适合高速切削等优点，已成为高速加工中最有发展潜力的高级系统。国际标准化组织最终确定以HSK为新型工具系统的国际标准，并于2001年颁布了该项ISO标准(ISO12164)。
2.2 KM工具系统
KM工具系统是美国Kennametal公司及德国Widia公司联合研制的，其基本形状与HSK很类似，也是采用了1:10的空心短锥配合和双面定位方式。主要的差别在于夹紧机构不同，KM刀柄是使用钢球斜面锁紧，夹紧时钢球沿拉杆凹槽的斜面被推出，卡在刀柄上的锁紧孔斜面上，将刀柄向主轴孔拉紧，刀柄产生弹性变形使刀柄端面与主轴端面贴紧。
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