国外新型工具系统研究状况介绍

HSK工具系统

　　HSK(德文Hohl Shaft Kegel缩写)刀柄是由德国阿亨工业大学机床实验室研制的一种双面夹紧刀柄，为1:10(2°51'78")锥度，采用锥面(径向)和法兰端面(轴向)双面定位和夹紧。工作时空心短锥柄与主轴锥孔能完全接触，起到定心作用，保证主轴的连接刚性。在拉紧机构作用下拉杆向右移动，此时刀柄前端锥面的弹性夹爪会径向扩张，同时夹爪的外锥面与空心短锥柄内孔的30°锥面开始接触配合。此时空心短锥柄出现弹性变形，其端面与主轴端面靠紧，消除HSK刀柄法兰盘与主轴端面问问隙(约0.1mm)。
 
　　HSK工具系统突出特征是采用端面和锥面同步接触双重定位，保证配合可靠性。类似BT锥柄，HSK的径向精度取决于锥面接触特性(二者的径向精度最高可达0.2µm)。HSK接口的轴向精度取决于接触端面，与轴向夹紧力无关，仅由结构决定，这与BT锥柄显著不同。HSK刀柄的另一个特征是为空心锥柄，以较小夹紧力产生足够弹性变形，空心薄壁的径向膨胀量保持与主轴内锥孔变形对应。空心柄部还为夹紧拉钉提供了安装位置，实现由内向外夹紧，空心柄部还可内置切削液。采用内夹紧方式可使离心力化为夹紧力，保证高速旋转的刀柄夹紧可靠性。HSK刀柄特征之三是采用1:10的小锥度叮减小锥面部分的夹紧力，提高HSK接口的承载能力，同时又能够保证锥部良好的定位作用。HSK刀柄与主轴连接结构与原理。

KM工具系统

　　KM刀柄是美国肯纳(Kennametal)公司在1987年开发，为1:10锥度。在夹紧机构拉杆上设有两个对称的圆弧凹槽，该槽底为两段弧形斜面。夹紧刀柄时，拉杆向右移动，钢球沿凹槽的斜面被推出，卡在刀柄上的锁紧孔斜面上。刀柄向主轴孔内拉紧后，薄肇锥柄产生弹性变形，使刀柄端面与主轴端面贴紧，实现锥面和端丽同时接触双面定位。

　　KM系统也是1:10中空短锥柄，采用三点接触和双钢珠锁定的方式连接，使KM系统具有刚度高、精度高、装夹快捷和维护简单等优点。

　　研究表明：与BT刀柄相比，HSK刀柄和KM刀柄具有更好的静刚度和动刚度。KM刀柄的拉紧力、锁紧力和动刚度值明显大于HSK刀柄，整体性能最佳，三者结构及性能比较(表略)知，KM刀柄也存在—些不足如有较大过盈量，所需的夹紧力至少是HSK的3倍。

Big-plus工具系统

　　Big-plus刀柄由日本大昭和精机公司(Big-Daishowa Seiki)研制，并且成功申请了专利进行技术保护，与7:24刀柄可兼容互换。Big-plus工具系统结构利用主轴内孔的弹性膨胀锁紧后补偿问隙，缩小刀柄装入主轴后与端面的间隙，保证刀柄与主轴端面配合。工作时，刀柄装入主轴后在主轴端面与刀柄法兰之间留有约0.02mm的间隙，当刀柄被拉紧后，主轴端口弹性扩张，实现锥面与端面的同时接触，避免因主轴的扩张造成刀柄的轴向移动。Big-plus系统的主轴和刀柄制造精度非常高，保证系统的整体性能，被日本高速机床厂商普遍采用。

　　与BT锥柄相比，Big-plus锥柄的弯矩承载能力因有一支撑直径而提高，增强了装夹稳定性。Big-plus工具系统刚性高，有衰减振动功能，在高速切削时可减少刀柄跳动，提高重复换刀精度，延长刀具的寿命，在高速加工领域可获得较高加工精度。

Showa D-F-C工具系统

　　Showa D-F-C刀柄是由日本圣和精机株式会社开发的，其柄部为7:24锥度圆柱形，圆柱面上配有带外锥面的锥套，锥套大端与刀柄本体的法兰端面之间设有碟形弹簧，具有缓冲吸振和双面定位效果。

　　刀柄采用锥套碟形弹簧的组合式结构，通过移动锥套，可以补偿锥部基准圆的微鼍轴向位置误差，能可靠的实现双向约束。当锥孔因离心力作用扩张时，在碟形弹簧的作用下，锥套产生轴向位移，补偿径向间隙，确保径向精度。碟形弹簧还能衰减切削时的微量振动，有利于提高刀具的耐用度、改善加工表面质量；该结构设计还解决了HSK、KM、Big-Plus等双面定位型结构在刀柄和主轴锥孔磨损后，锥面定位性能下降的问题。但是刀柄上锥套孔因离心力发生扩张，使Showa D-F-C柄部圆柱体出现间隙，径向刚度和径向位置精度有所下降。

Lock工具系统

　　Lock刀柄是日本株式会社日研工作所开发出的7:24锥度双面定位型结构。其柄部为圆柱体和圆锥体的组合，在该复合体上附带锥套，锥套大端与刀柄本体的法兰端面之间安置碟形弹簧，锥套小端通过细牙锁母定位和锁紧，Lock刀柄和BT刀柄结构区别。

　　Lock最大特点是用端面、锥面和锥套内孔三处锁紧，不同与两面接触高速刀柄仅端面与锥面接触，三处锁紧保证高速旋转时系统可靠性。三面定位避免因离心力导致锥套孔与柄部体产生间隙，提高系统径向刚度和径向位置精度。但3-Lock刀柄锥套有开口缝，对动平衡精度有一定影响。 

工具系统动平衡精度

　　高速切削条件下，工具系统微小的不平衡，都可能产生很大的离心力，引起机床和工具系统的急剧振动，导致加工工件表面质量恶化甚至损坏机床主轴等部件，故需要研究制定更高的动平衡标准。

　　可以考虑开发在线自动动平衡装置，使工具系统具有在线自动动平衡功能，保证装配后的工具系统动平衡。研制在线故障预警功能的工具系统，使其在安装或使用中出现故障时可报警，提高安全陛。刀柄结构设计尽量采用回旋对杨睦吉构，为动平衡提供理论条件。 

刀柄和主轴锥孔的配合精度

　　高速情况下，由于锥面存在着过盈应力，导致锥面变形严重，使工具系统的可靠性下降。刀具与主轴的联结问题影响高速切削的可靠性及机床主轴的动平衡，已成为高速切削的薄弱环节之一。

　　传统刀柄和主轴锥孔的配合精度比较低，无法保证工具系统定位夹持精度和换刀重复定位精度。要加强对刀柄锥孔配合精度的研究，提高工具系统的可靠性。高速切削加工(HSM)不但要求刀具本身具有良好的刚性、柔性和动平衡性，同时对其与机床主轴连接的刚性和连接精度，及保持刀具的把持力和把持精度及其各方面都提出了严格的要求。较好的刀具与机床的连接性能不仅提高加工效率，而且能提高定位精度，从而提高加工质量。

工具系统刚度和刀柄的制造精度

　　工具系统刚度不足会导致刀具系统振动，常规工具系统刚度和精度无法满足高速加工的要求，从而降低加工精度，并加剧刀具的磨损，降低刀具的使用寿命。高速加工的工具系统都采用过定位的接触装配方式，因此对接触配合工作表面加工精度要求很高。选用合适的材料，合理的制造工艺以及生产过程的质量监控，提高刀柄制造品质是高速加工工具系统研究中要解决的实际问题。

　　采用适合高速切削的刀柄，改变刀具和主轴锥孔的配合方式，在高速主轴设计中，目前对刀/轴联结研究较成功的设计主要有两种策略：—是改变7:24锥度标准采用替代型结构，如德国的HSK系列刀柄、美国的KM系列刀柄等。另一种是为降低成本，仍采用现有的7:24锥度而进行改进的刀柄结构。如美国的WSU系列刀柄，日本BIG-PLUS刀柄，3LOCK刀柄等，这种刀柄结构可改进现有结构主轴向高速化的过渡。

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