切削加工的精度和效率不断提高，现有的7:24锥柄作为机床主轴与刀具连接的方式已经不能满足新的加工要求，其主要问题是连接刚性不够，以及在高的转速下，由于主轴锥孔的扩张，降低了重复定位精度和换刀精度。
HSK空心柄实现了机床主轴与刀具在锥面接触的同时还增加了在端面的接触，避免了刀具在高速下的轴向串动，并保证了重复定位精度。尽管HSK比7:24锥柄有这些优点，但带有7:24锥孔的新机床仍然在生产销售，其原因何在?
锥柄和端面同时接触的7:24锥柄
在采购新机床时，用户考虑的不仅是效率而首先是价格和应用之间的关系。在采用一种新的刀柄时，所有的刀具甚至备份都必须配上新的HSK或7:24锥柄，这需要一笔大的费用。此外，从技术上分析，HSK刀柄还有形状和尺寸过多的弊端，反映出该刀柄是对多方面意见妥协的结果；尤其不足的是实际的锥柄尺寸比标准依据法兰直径所定的名义尺寸小，降低了刀柄的强度，这会增加刀具振动的可能性，尤其是长的刀具；HSK刀柄不适用于作为工具系统的接柄，如用于铣刀的夹头时明显地增加了刀具系统的长度，削弱了系统的刚性。
针对HSK刀柄的不足，日本BLG-Daishowa Seiki公司成功地开发了一种称为"Bigplus"的机床主轴与刀具的接口，实现了刀具装夹的最佳化。该系统仍采用7:24锥柄，因此可与现有的7:24刀柄完全兼容，不会增加额外的刀具成本。由于它同样实现了机床主轴与刀柄之间的锥面和端面的同时接触，从而满足了机床-刀具接口对稳定性和精度的要求。
现有的7:24连接在主轴端面与刀具法兰之间存在一个间隙，只有锥面接触。而"Big-plus"系统则把这个间隙量分配给主轴和刀柄各一半，分别加长主轴和刀柄法兰的尺寸(图1)，开发了配套的"Big-plus"加长主轴和加厚了法兰的"Big-plus"刀柄。
Big-plus刀柄数倍地提高了连接的刚性
由于这种刀柄的锥柄部分仍是一个标准的7:24锥柄，与标准刀具完全兼容，即"Big-plus"刀柄可以装在现有的机床主轴上使用(图2上的B连接)，同样，现有的7:24锥柄刀具可以装在"Bigplus"的主轴上使用(图2上的C连接)。要实现主轴端面与刀具法兰的同时接触，则必须同时采用"Big-plus"的主轴和刀柄(图2上的A连接)。
新系统的主要特征是，当刀具拉入机床主轴时引起主轴锥孔的弹性扩张。装刀时，刀具送入主轴以后在主轴端面与刀柄法兰之间留有约0.02mm的间隙，当刀柄被完全拉入时，主轴端口弹性扩张，实现锥面与端面的同时接触(图3)。
为了确保锥面与端面的同时接触，"Big-plus"系统的主轴和刀柄必须精确制作，以保证在刀柄拉入时伴随主轴的扩张实现刀具的轴向移动并使端面接触所需要的尺寸精度。为此需要有三个量规来控制主轴锥孔的制造尺寸(图4)：一个是校对环规，规定了主轴锥面定位时端面的尺寸增量H；另一个是带表塞规，它把校对环规的H尺寸传递给主轴；第三个是带表的辅助锥规，它用作测量刀柄拉入时由于主轴扩张所对应的刀柄轴向位移量。
图2 Big-plus系统与现有系统的互换性
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图3 实现两面接触的原理
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图4 控制尺寸精度的量规
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拉紧刀柄时，主轴的扩张量与主轴的设计和拉紧力有关。主轴锥面定位时，其端面位置尺寸允差越窄，则主轴扩张量越小。与标准的7:24锥柄比较，"Big-plus"锥柄对弯矩的承载能力因一个明显加大的支撑直径而提高，从而显著地提高了装夹稳定性。在标准的7:24锥柄上弯矩的支撑直径是锥柄上的公称直径，而"Big-plus"刀柄的支撑直径是法兰的外径，根据圆载面的惯性矩公式，刀杆的挠度与直径的4次方成反比，由此得出，"Big-plus"比标准7:24刀柄承受弯矩的能力，对于SK40号刀柄提高了3.5倍，对于SK50号刀柄则提高了3.9倍。
"Big-plus"刀柄装夹的稳定性可以与HSK刀相媲美。但HSK的锥柄比7:24锥柄短，因此换刀行程短、速度快，这是有利的一面；然而短锥柄也有不利的一面，尤其是HSK A型刀柄，其传动键与主轴锥孔是一个整体，由于制造技术上的原因，处于键这一段的锥面很难精确制造，使刀柄的有效锥面要短于名义的锥面。在使用长刀具或径向力大的刀具时，短锥柄就成为一个缺点。根据杠杆定律，产生在刀具参考直径处的切削力F1作用在刀柄的法兰处(图5)，那里起一个回转中心的作用，力再从该点传递到锥柄的最后端支承点上，产生F2力。锥柄越短则在那里产生的F2力越大，其轴向分力Fp也越大，这是一个向外推刀柄的力，一个人的推力对刀柄装夹的稳定性会产生不利的影响。
新系统在实践中得到认可
"Big-plus"系统的技术特点推动了"Big-plus"机床主轴和刀具系统的推广应用，例如所有日本著名的机床制造商都拥有"Big-plus"的许可证，它们中已有许多公司把这种主轴作为它们机床的标准配置。在欧洲，这个系统同样得到了认可，那里的一些著名的机床制造商也希望获得许可证，将有越来越多的机床装备这种主轴。
在刀具制造商方面，一家最大的瑞典刀具制造商已经认可了这个系统的优点，表示该公司的刀具也用"Big-plus"的设计。一家较大的德国刀具制造商已购买了许可证。
瑞士的Heinz kaiset公司由于与该系统的日本制造商多年的合作，在几年前决定成为"Big-plus"刀具在瑞士的总代理，并应用在Kaiser公司的生产中，实践结果使Kaiser公司也购买了许可证，用于制造Kaiser模块化工具系统。
"Big-plus"系统在应用中显示了很好的效果。在高的切削参数下，比现有的刀柄更可靠，并提高加工效率。刀柄的跳动减少，重复换刀精度提高，用于延长刀具的寿命、提高加工质量和加工的安全性。由于实现了锥面与端面的同时接触，避免了高速旋转时主轴扩张所引起的刀具轴向串动，因此在高速切削领域可实现很高的加工精度。
日本工具系统获德国专利
日本大昭和精机公司开发的两面夹紧式工具系统“Big Plus”已获得德国专利。Big Plus工具系统于1992年开发成功，迄今已达10年，专利从2002年9月7日起生效。在HSK工具系统占主导地位的欧洲市场，Big Plus工具系统能获得德国专利是非常不容易的。Big Plus工具系统的特点是夹持刚性高，可进行高速、高精度切削加工。迄今，大昭和精机公司已向世界各地销售出25万件这种产品，该工具系统已被瑞士厂家正式采用。此外，大昭和精机公司还向欧洲工具制造厂提供该工具系统的相关技术。 |
| 本文作者:赵炳桢(编译) |
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