超高速切削的發展現狀
金屬切削加工已進入了一個以高速切削為代表的新的發展階段，由于高速切削加工能極大地提高材料的切除率和零件的加工質量，降低加工成本，因而成為當今金屬切削加工的發展方向之一。高速切削刀具技術是高速切削加工的一個關鍵技術，它包括高速切削刀具材料、刀柄系統、刀具系統動平衡技術、刀具監測技術等。本文就作一概述。
1. 高速切削加工對刀具系統的要求
所謂刀具系統是指由刀柄、夾頭和切削刀具所組成的完整的刀具體系，刀柄與機床主軸相連，切削刀具通過夾頭裝入刀柄之中。要使刀具系統能在高速下進行切削加工，應滿足以下基本條件：
較高的系統精度
系統精度包括系統定位夾持精度和刀具重復定位精度，前者指刀具與刀柄、刀柄與機床主軸的連接精度；后者指每次換刀后刀具系統精度的一致性。刀具系統具有較高的系統精度，才能保證高速加工條件下刀具系統應有的靜態和動態穩定性。
較高的系統剛度
刀具系統的靜、動剛度是影響加工精度及切削性能的重要因素。刀具系統剛度不足會導致刀具系統振動，從而降低加工精度，并加劇刀具的磨損，降低刀具的使用壽命。
較好的動平衡性
高速切削加工條件下，微小質量的不平衡都會造成巨大的離心力，在加工過程中引起機床的急劇振動。因此，高速刀具系統的動平衡非常重要。
2. 傳統實心長刀柄結構存在的問題
目前，在數控銑床、數控鏜床和加工中心上使用的傳統刀柄是標準7:24錐度實心長刀柄。這種刀柄與機床主軸的連接只是靠錐面定位，主軸端面與刀柄法蘭端面間有較大間隙。這種刀柄結構在高速切削條件下會出現下列問題：
刀具動、靜剛度低
刀具高速旋轉時，由于離心力的作用，主軸錐孔和刀柄均會發生徑向膨脹，膨脹量大小隨旋轉半徑和轉速的增大而增大。這就會造成刀柄的膨脹量小于主軸錐孔的膨脹量而出現配合間隙，使得本來只靠錐面結合的低剛性連接的剛度進一步降低。
動平衡性差
標準7:24錐度柄較長，很難實現全長無間隙配合，一般只要求配合前段70%以上接觸，而后段往往會有一定間隙。該間隙會引起刀具的徑向圓跳動，影響刀具系統的動平衡。
重復定位精度低
當采用atc(automatic toolchanging，自動換刀)方式安裝刀具時，由于錐度較長，難以保證每次換刀后刀柄與主軸錐孔結合的一致性。同時，長刀柄也限制了換刀過程的高速化。
3. 多種新型刀柄的開發與應用
為了適應高速切削加工對刀具系統的要求，最近10年各工業發達國家相繼研制開發了多種新型結構的刀柄。簡介如下。
1) hsk刀柄
hsk(德文hohlschaftkegel縮寫)刀柄是德國阿亨(aachen)工業大學機床研究所在20世紀90年代初開發的一種雙面夾緊刀柄，它是雙面夾緊刀柄中最具有代表性的。hsk刀柄已于1996年列入德國din標準，并于2001年12月成為國際標準iso12164。由于其剛度和重復定位精度較標準7:24錐度柄提高了幾倍至幾十倍，因此在機械制造業得到了廣泛的認同和采用。例如，在德國奔馳汽車公司和大眾汽車公司，hsk刀柄被廣泛用于銑削、鉆削和車削加工中。在我國一汽大眾公司的發動機、傳動器生產線上共有二百五十多臺數控機床采用了hsk高速短錐空心柄工具系統，共6個規格。
hsk刀柄由錐面(徑向)和法蘭端面(軸向)雙面定位，實現與主軸的剛性連接，如圖1所示。當刀柄在機床主軸上安裝時，空心短錐柄與主軸錐孔能完全接觸，起到定心作用。此時，hsk刀柄法蘭盤與主軸端面之間還存在約0.1mm的間隙。在拉緊機構作用下，拉桿的向右移動使其前端的錐面將彈性夾爪徑向脹開，同時夾爪的外錐面作用在空心短錐柄內孔的30°錐面上，空心短錐柄產生彈性變形，并使其端面與主軸端面靠緊，實現了刀柄與主軸錐面和主軸端面同時定位和夾緊的功能。
圖1 hsk刀柄與主軸連接結構與工作原理
這種刀柄結構的主要優點是：
有效地提高刀柄與機床主軸的結合剛度。由于采用錐面、端面過定位結合，使刀柄與主軸的有效接觸面積增大，并從徑向和軸向進行雙面定位，大大提高了刀柄與主軸的結合剛度，克服了傳統的標準7:24錐度柄在高速旋轉時剛度不足的弱點。
有較高的重復定位精度，并且自動換刀動作快，有利于實現atc的高速化。由于采用1:10的錐度，其錐部長度短(大約是7:24錐柄相近規格的一半)。每次換刀后刀柄與主軸的接觸面積一致性好，故提高了刀柄的重復定位精度。由于采用空心結構，質量輕，便于自動換刀。
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