一. 前言
　　高速加工是集材料科學、工程力學、機械動力學和制造科學于一體的高新加工技術，在汽車制造、航空航天和機械加工多個行業(yè)得到了越來越廣泛的應用。高速加工工具系統(tǒng)是高速加工機床的重要組成部分，其性能直接影響到加工質量和加工效率。因此，高速加工工具系統(tǒng)的研究與開發(fā)倍受國內外機械工程專家和學者的關注。
　　半個多世紀以來，傳統(tǒng)的BT(7:24錐度)工具系統(tǒng)在機械加工中發(fā)揮了重要的作用。圖1是高速加工時BT工具系統(tǒng)工作示意圖。

　　高速加工時主軸工作轉速達到每分鐘數(shù)萬轉，在離心力作用下主軸孔的膨脹量比實心的刀柄大，使錐柄與主軸的接觸面積減少，導致BT工具系統(tǒng)的徑向剛度、定位精度下降；在夾緊機構拉力的作用下，BT刀柄的軸向位置發(fā)生變化，軸向精度下降，從而影響加工精度；機床停車時，刀柄內陷于主軸孔內將很難拆卸。另外，由于BT工具系統(tǒng)僅使用錐面定位、夾緊，還存在換刀重復精度低、連接剛度低、傳遞扭矩能力差、尺寸大、重量大、換刀時間長等缺點。為解決上述問題，美國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達國家相繼開發(fā)出若干新型工具系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)代機械加工生產的要求。
　　二. 國外新型工具系統(tǒng)的開發(fā)
　　1.HSK工具系統(tǒng)
　　HSK刀柄是德國阿亨工業(yè)大學機床研究所研究的一種新型的高速短錐刀柄(見圖2a) ，其結構特點是空心、薄壁、短錐，錐度為1:10 ；端面與錐面同時定位、夾緊，刀柄在主軸中的定位為過定位；使用由內向外的外漲式夾緊機構。
　　HSK工具系統(tǒng)最突出的特點就是端面和錐面同步接觸。夾緊時，由于錐部有過盈，所以錐面受壓產生彈性變形，同時刀柄向主軸錐孔軸向位移，以消除初始間隙，實現(xiàn)端面之間的貼合，這樣就實現(xiàn)了雙面同步夾緊。就其本身的定位而言，這種保證錐面和端面同時定位的方式實質上是過定位。HSK接口的徑向精度是由錐面接觸特性決定的，這一點與BT錐柄一致(二者的徑向精度均可達到0.2µm) 。HSK接口的軸向精度由接觸端面決定，這與BT錐柄明顯不同，中空結構是HSK刀柄的一個重要特征。要實現(xiàn)雙面接觸，錐面必須產生彈性變形，與實心柄相比，空心柄產生彈性變形容易得多，所消耗的夾緊力也小得多，而當主軸高速回轉時，空心薄壁的徑向膨脹量與主軸內錐孔相差不大，有利于在較大轉速范圍內保持錐面的可靠接觸。HSK刀柄的空心柄部還為夾緊機構提供了安裝空間，以實現(xiàn)由內向外的夾緊。這種夾緊方式可以把離心力轉化為夾緊力，使刀柄在高轉速下工作時的夾緊更為可靠。此外，HSK刀柄的空心柄部還使內部切削液的供應成為可能。
　　HSK工具系統(tǒng)以其定位精度高，靜、動態(tài)剛度高，尺寸小、重量輕、結構緊湊，適合高速切削等優(yōu)點，已成為高速加工中最有發(fā)展?jié)摿Φ母呒壪到y(tǒng)。國際標準化組織最終確定以HSK為新型工具系統(tǒng)的國際標準， 并于2001年頒布了該項ISO標準(ISO12164) 。
　　2.KM工具系統(tǒng)
　　KM工具系統(tǒng)是美國肯納金屬(Kennametal)公司及德國維迪亞(Widia)公司聯(lián)合研制的(見圖2b)，其基本形狀與HSK很類似，也是采用了1:10 的空心短錐配合和雙面定位方式。主要的差別在于夾緊機構的不同，KM刀柄是使用鋼球斜面鎖緊，夾緊時鋼球沿拉桿凹槽的斜面被推出，卡在刀柄上的鎖緊孔斜面上，將刀柄向主軸孔拉緊，刀柄產生彈性變形使刀柄端面與主軸端面貼緊。
　　KM工具系統(tǒng)具有高剛度、高精度、快速裝夾和維護簡單等優(yōu)點。試驗證實KM刀柄的動剛度比HSK系統(tǒng)更高，不過由于KM刀柄錐面上開有對稱的兩個供夾緊用的圓弧凹槽，需要非常大的夾緊力才能正常工作。

　　3.NC5 工具系統(tǒng)
　　NC5工具系統(tǒng)是日本株式會社日研工作所開發(fā)的(見圖2c)，采用1:10 錐度雙面定位結構。錐柄采用實心結構，使其抗高頻顫振能力優(yōu)于空心短錐結構。其定位原理與HSK、KM相同，不同的是把1/10錐柄分成了錐套和錐柄兩部分，錐套端面有碟型彈簧，具有緩沖抑振作用。通過錐套的微量位移，可以有效吸收錐部基準圓的微量軸向位置誤差，以便緩和刀柄的制造難度。彈簧的預壓作用還能衰減切削時的微量振動，有益于提高刀具的耐用度。當高速旋轉的離心力導致錐孔擴張時，彈簧會使軸套產生軸向位移，補償徑向間隙，確保徑向精度，由于刀柄本體并未產生軸向移動，因此又能保證工具系統(tǒng)的軸向精度。
　　4.Big-plus工具系統(tǒng)
　　Big-plus工具系統(tǒng)是日本大昭和精機公司開發(fā)的改進型7:24 錐柄工具系統(tǒng)(見圖3) 。該系統(tǒng)與現(xiàn)有的7:24 錐柄完全兼容，它將主軸端面與刀具法蘭間的間隙量分配給主軸和刀柄各一半，分別加長主軸和加厚刀柄法蘭的尺寸，實現(xiàn)主軸端面與刀具法蘭的同時接觸。裝入刀柄時伴隨主軸孔的擴張使刀具軸向移動達到端面接觸。

　　與BT錐柄相比，Big-plus錐柄對彎矩的承載能力因有一個加大的支撐直徑而提高，從而增加了裝夾穩(wěn)定性。Big-plus 工具系統(tǒng)的夾持剛性高，因此在高速加工中可減少刀柄的跳動，提高重復換刀精度。
　　三. 國內新型工具系統(tǒng)的研究
　　我國在新型工具系統(tǒng)的研究方面起步較晚，對工具系統(tǒng)進行實質性分析研究的成果較少。其中成都工具研究所的梁彥學高工、張鐵銘高工、趙柄楨高工在引進HSK工具系統(tǒng)標準、探索制造工藝及動平衡方面作了許多工作。成都工具研究所“九五”期間承擔了國家重點科技攻關專題《數(shù)控機床工具系統(tǒng)工程化技術的開發(fā)研究》，主要成果是引進了HSK刀柄的制造標準，開發(fā)了相應的加工工藝，并據(jù)此制造出了HSK刀柄及部分檢測設備，填補了國內空白。
　　在此基礎上，成都工具研究所和江蘇大學等單位共同承擔的國家“十五”科技攻關課題“高速加工工具系統(tǒng)的開發(fā)與應用”，利用有限元法對高速狀態(tài)下HSK工具系統(tǒng)的特性進行了仿真分析、建立了力學模型和專家知識庫，為掌握其結構動態(tài)、靜態(tài)特性、工作機理提供了科學理論指導和依據(jù)； 建立了HSK 工具系統(tǒng)柄的標準圖庫及HSK 工具系統(tǒng)產品圖庫，制定了HSK工具系統(tǒng)的制造技術規(guī)范；完成了HSK工具系統(tǒng)標準技術的研究工作，制定了HSK工具系統(tǒng)國家標準，為我國HSK 工具系統(tǒng)的產業(yè)化、推廣應用并進入國際市場打下了良好的基礎。
　　江蘇大學對HSK刀柄的結構進行優(yōu)化，提出磨損后的HSK刀柄的重磨方法，減小了刀柄加工誤差的不利影響，使刀柄的性能更可靠，實現(xiàn)了磨損后的HSK 刀柄再利用，降低了生產成本，解決了HSK刀柄磨損后不能再利用的難題。華南理工大學的劉旺玉利用有限元方法對HSK薄壁液壓夾頭夾緊扭矩進行了分析。山東大學的張松等借用非線性有限元技術對HSK主軸/刀具聯(lián)接的變形及接觸應力分布進行了分析，討論了旋轉速度和過盈量對接觸應力的影響。
　　四.工具系統(tǒng)研究中存在的問題及其對策
　　1.開發(fā)工具系統(tǒng)制造與檢測一體化技術，提高刀柄的加工質量
　　高速加工的工具系統(tǒng)大都采用過定位的雙面夾緊方式，因此對加工精度要求很高，否則將嚴重影響其使用性能。目前即使國外的著名工具生產廠家在生產HSK刀柄時，也很難做到所有的加工精度指標都滿足HSK的ISO12164 標準。因此，探索先進的加工方法和加工工藝，開發(fā)關鍵工序的檢測儀器，提高和穩(wěn)定工具系統(tǒng)的加工質量是高速加工工具系統(tǒng)研究中要解決的共同問題。
　　2.提高工具系統(tǒng)和機床連接的動平衡精度，減少高速下的切削振動
　　在高速加工中，工具系統(tǒng)微小的不平衡都可能造成巨大的離心力，引起機床和加工過程的振動，這不僅影響零件的加工精度和表面質量，而且容易損壞刀具，降低主軸軸承的精度和壽命，因此，需要尋求新的動平衡標準及測量方法，開發(fā)高精度的動平衡技術。
　　3.開發(fā)智能型工具系統(tǒng)，實現(xiàn)使用過程的智能化控制
　　加強在線自動動平衡裝置的開發(fā)，使工具系統(tǒng)具有在線自動動平衡功能。研制具有在線故障預報功能的工具系統(tǒng)，使其在安裝或使用中出現(xiàn)故障時可以自動報警，使高速加工更安全。
　　4.提高刀具和主軸錐孔的配合精度，提高聯(lián)接可靠性
　　工具系統(tǒng)與主軸之間采用錐面和端面同時定位夾緊的方式，由于錐面存在著過盈，在高速情況下，錐面的應力變形會更加嚴重，從而使工具系統(tǒng)的可靠性下降，因此需要加強對錐面配合方式和配合精度的研究，以加強工具系統(tǒng)的可靠性。