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高速加工工具系統(tǒng) （程學(xué)亮 研機(jī)制12 s1203006）摘要：本文介紹了高速加工的技術(shù)特點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外高速加工工具系統(tǒng)的開發(fā)與研究情況。此外，還介紹了高速加工工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并著重介紹了HSK工具系統(tǒng)的性能、力學(xué)模型、動(dòng)平衡。最后指出了高速加工工具系統(tǒng)存在的問題以及今后的研究方向。關(guān)鍵字:高速加工; 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 系統(tǒng)性能；力學(xué)模型；動(dòng)平衡1引言 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械制造技術(shù)朝著高速、低消耗、優(yōu)質(zhì)和高精度的方向邁進(jìn)。高速加工與精密加工、高能束加工、柔性自動(dòng)化加工一起，構(gòu)是成了當(dāng)今機(jī)械制造中的四大先進(jìn)制造技術(shù)。高速加工工具系統(tǒng)是高速加工機(jī)床的重要組成部分，其性能直接影響高速加工的質(zhì)量與效率，收到了各國(guó)機(jī)械工程界和相關(guān)學(xué)者的高度重視。為了提高制造業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，世界各國(guó)，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家投入了大量人力物力用于研究、開發(fā)適于高速加工的工具系統(tǒng)。 高速加工是一個(gè)動(dòng)態(tài)概念，其中高速切削是高速加工的一個(gè)重要組成部分，它主要有一下特點(diǎn)：（1） 能獲得較高的加工精度。（2） 能獲得較高的加工表面完整性。（3） 加工能耗低、節(jié)省制造資源。（4） 能有效抑制切削振動(dòng)的影響，降低加工表面粗糙度。（5） 能加工各種難加工材料。（6） 降低加工成本。 目前高速加工已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)和航空制造業(yè)，汽車、模具制造業(yè) ，精密機(jī)械工業(yè)等。 高速加工是制造技術(shù)中的一項(xiàng)新技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域廣，對(duì)制造業(yè)的影響大，它是新材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和精密制造技術(shù)等多項(xiàng)綜合應(yīng)用發(fā)展的結(jié)果。高速加工的關(guān)鍵技術(shù)為：（1） 高速切削機(jī)理。（2） 高速切削刀具技術(shù)。（3） 高速切削機(jī)床技術(shù)。（4） 高速切削工藝技術(shù)。（5） 高速加工的測(cè)試技術(shù)。 其中，高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速加工的基礎(chǔ)，主要包括：（1） 高速主軸單元。（2） 高速進(jìn)給系統(tǒng)。（3） CNC控制系統(tǒng)。（4） 高速刀具與機(jī)床接口技術(shù)。高速加工工具系統(tǒng)包括主軸、刀柄、刀具和加緊機(jī)構(gòu)等，它的核心是連接刀柄。工具系統(tǒng)的性能對(duì)加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率、刀具壽命、加工成本都有很大的影響。由于傳統(tǒng)的工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并沒有考慮到高速加工時(shí)離心力的影響，導(dǎo)致它在精度、剛度、刀具裝卸、安全性等方面產(chǎn)生了一系列問題，嚴(yán)重地影響了高速加工質(zhì)量、穩(wěn)定性和安全性，因此，開發(fā)出適用于高速加工的新型工具系統(tǒng)是高速加工中必須解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。 半個(gè)多世紀(jì)以來，傳統(tǒng)的BT工具系統(tǒng)在機(jī)械加工中發(fā)揮了重要作用。但隨著加工精度和加工效率的提高，特別是高速加工技術(shù)的的應(yīng)用，傳統(tǒng)的BT刀柄已無法適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械加工的要求。目前，在國(guó)際工具系統(tǒng)市場(chǎng)上影響較大的高速工具系統(tǒng)有：德國(guó)開發(fā)的HSK工具系統(tǒng);日本日研公司研發(fā)的NC5工具系統(tǒng)；瑞典 SANDVIK COROMANT 公司研發(fā)的CAPT 工具系統(tǒng)等。這些工具大都采用了端面和錐面同時(shí)加緊的兩面夾緊式工作方式。在眾多的高速加工工具系統(tǒng)中，機(jī)械工程專家和學(xué)者都普遍認(rèn)為德國(guó)開發(fā)的HSK工具系統(tǒng)系能優(yōu)良，具有動(dòng)靜剛度高、定位精度好、允許轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)。到目前為止，一共有6種型號(hào)的HSK工具系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖如1-1所示。這六種型號(hào)的HSK刀柄共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：（1） 空心、薄壁、短錐，錐度為1:10；（2） 端面與錐面同時(shí)定位加緊，刀柄在主軸中的定位為過定位；（3） 使用由內(nèi)向外的外漲式加緊機(jī)構(gòu)。 圖1-1 6種HSK刀柄結(jié)構(gòu)圖2 高速加工工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2.1 基本功能要求 高速加工工具系統(tǒng)的基本功能是保證刀具在機(jī)床中的準(zhǔn)確定位，并在高速加工時(shí)保持不變，同時(shí)傳遞加工時(shí)所需要的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。 為實(shí)現(xiàn)高速加工工具系統(tǒng)的基本功能，對(duì)應(yīng)提出以下5個(gè)方面的要求：（1） 定位精度。高速加工對(duì)工具系統(tǒng)的動(dòng)平衡精度要求很高。刀柄的定位精度包括徑向定位精度和軸向定位精度。（2） 動(dòng)力的傳遞能力切削加工時(shí)刀具受到各種力的作用，這些力包括軸向力、徑向力、彎矩、扭矩等，這些力最終都由工具系統(tǒng)來傳遞和承受。（3） 傳遞高速運(yùn)動(dòng)的能力傳遞高速運(yùn)動(dòng)的能力是區(qū)分高速加工工具系統(tǒng)與普通工具系統(tǒng)的一個(gè)重要標(biāo)志。由于高速加工時(shí)主軸的轉(zhuǎn)速很高，工具系統(tǒng)受到巨大黨的離心力作用，必須考慮離心力引起的零部件的變形對(duì)其功能的影響。（4） 高剛度和阻尼特性工具系統(tǒng)在傳遞和承受各種作用力的同時(shí)將產(chǎn)生變形，將使加工過程中刀具的位置發(fā)生變化，一些零件的加工精度和表面質(zhì)量降低，縮短刀具的使用壽命，因此高速加工工具系統(tǒng)應(yīng)該有較高的剛度特性。工具系統(tǒng)的剛度包括靜剛度和動(dòng)剛度。靜剛度是動(dòng)剛度的基礎(chǔ)。（5） 介質(zhì)的傳遞能力精密、高效、自動(dòng)化室現(xiàn)代加工技術(shù)的重要特征。精密高效的切削加工對(duì)切削液的依賴越來越高，而加工過程的自動(dòng)化離不開加工過程中各種信號(hào)的傳遞與控制。2.2 輔助功能要求 1）對(duì)加工環(huán)境具有良好的適應(yīng)性（1）抗化學(xué)腐蝕性能。（2）熱變形補(bǔ)償能力。（3）抗污能力。（4）過載保護(hù)能力。2）操作方便（1） 便于換刀。（2）便于預(yù)調(diào)刀具的調(diào)整和使用。（3）便于刀具的識(shí)別。（4）便于易損件的更換。2.3 高速加工工具系統(tǒng)截面形狀 2.3.1 高速加工工具系統(tǒng)的縱截面形狀 工具系統(tǒng)的連接功能實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)刀柄在主軸中的準(zhǔn)確定位。對(duì)于旋轉(zhuǎn)刀具，一般需要限制刀具的5個(gè)自由度，而繞主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度可以不限制。工具系統(tǒng)的定位方案是由其軸向縱截面結(jié)構(gòu)決定的。圖2-1為常見工具系統(tǒng)縱截面的形狀的方案，其中圖2-1(a)圖2-1（d）中各刀柄為柱體表面，圖2-1（e）2-1（h）中各刀柄為錐體表面。 圖2-1常見工具系統(tǒng)縱截面 由于受到制造技術(shù)的限制，早期的刀柄主要采用2-1（a）與2-1（c）方案，但柱面刀柄存在刀柄裝卸不方便，刀柄徑向磨損后沒有自補(bǔ)償能力，不可重磨錐面的缺點(diǎn)。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)床上一般都使用錐面刀柄。錐面刀柄的最大的優(yōu)點(diǎn)是刀柄裝卸方便，徑向定位精度高，刀柄徑向磨損后具有自補(bǔ)償能力，精度保持性好，錐面可重磨。而增加端面接觸可以提高刀柄的軸向定位精度與剛度，也可以使刀柄的徑向剛度得到提高。2.3.2 高速加工工具系統(tǒng)的橫截面形狀 工具系統(tǒng)扭矩的傳遞能力與刀柄的橫截面的形狀有關(guān)系。如果工具系統(tǒng)采用了端面定位，那么工具系統(tǒng)動(dòng)力的傳遞能力還與刀柄端面的結(jié)構(gòu)有關(guān)。通常采用的刀柄的橫截面的形狀如圖2-2. 圖2-2 常見的刀柄橫截面形狀2.3.3 高速加工工具系統(tǒng)的截面形狀的最佳組合通過對(duì)工具系統(tǒng)縱截面和橫截面的特性分析，可以得到工具系統(tǒng)的幾種截面的最佳組合方式。目前，主要的工具系統(tǒng)的縱截面都采用錐面形狀，其主要的原因是錐面的加工工藝較好，定心精度高，精度保持性好，最面磨損后具有自補(bǔ)償能力。為了是工具系統(tǒng)具有良好的制造工藝性，工具系統(tǒng)的橫截面一般為圓形，如圖2-3（a）2-3（e）所示。由于圓截面本身沒有傳遞扭矩的能力，因此一般在刀柄尾部設(shè)置傳遞扭矩的鍵槽（如圖2-3（b）和2-3（c）或端面設(shè)置傳遞扭矩的鍵槽（如圖2-3（e）和2-3（f）。由于傳遞扭矩的鍵局部受到較大的應(yīng)力，容易發(fā)生磨損和損壞，這會(huì)增加使用、維護(hù)的成本。 圖2-3 各種圓錐面結(jié)構(gòu)工具系統(tǒng)2.3.4 高速加工工具系統(tǒng)最佳截面形狀的設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的BT工具系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于普通切削加工的機(jī)床中，但無法應(yīng)用于高速切削加工。圖2-4 是高速加工時(shí)BT工具系統(tǒng)的工作狀況示意圖。 圖 2-4 高速加工時(shí)BT工具系統(tǒng)的工作狀況示意圖高速切削加工時(shí)，主軸工作轉(zhuǎn)速每分鐘達(dá)數(shù)萬轉(zhuǎn)，在巨大的離心力作用下主軸孔的膨脹量比實(shí)心的刀柄大，由此產(chǎn)生以下問題：（1） 由于主軸孔和刀柄膨脹差異，刀柄與主軸的接觸面積減小，工具系統(tǒng)的徑向剛度、定位精度下降；（2） 在加緊機(jī)構(gòu)拉力的作用，刀柄將內(nèi)陷主軸孔，軸向精度下降，加工尺寸甚至無法控制；（3） 機(jī)床停車后，內(nèi)陷主軸孔內(nèi)的刀柄將很難拆卸。 由于BT工具系統(tǒng)僅采用錐面定位、加緊，這種結(jié)構(gòu)還存在以下缺點(diǎn)：(1) 換刀重復(fù)精度低；(2) 連接剛度低、扭矩傳遞能力低；(3) 尺寸大、重量重，換刀時(shí)間長(zhǎng)。為了解決上述問題，高速加工工具系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上應(yīng)采取措施如下：（1） 刀柄的橫截面采用中空薄壁結(jié)構(gòu)，以便減少由于離心力而產(chǎn)生的與主軸孔和刀柄的膨脹差異，保證刀柄在主軸孔的可靠定位。（2） 采用具有端面定位的工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。由于刀柄端面的支撐作用，可以防止在高速加工時(shí)由于主軸孔與刀柄的膨脹差異而產(chǎn)生的刀柄軸向竄動(dòng)，提高刀柄的軸向定位精度和剛度。 綜上所述，為了滿足高速加工的要求，工具系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先采用具有端面定位的空心短錐結(jié)構(gòu)。圖2-5為3種代表性的高速加工工具系統(tǒng)的刀柄。 圖2-5 三種代表性的高速加工工具系統(tǒng)的刀柄2.4高速加工工具系統(tǒng)的加緊機(jī)構(gòu) 為了充分發(fā)揮工具系統(tǒng)的性能，必須配備一個(gè)高效加緊機(jī)構(gòu)，通過加緊機(jī)構(gòu)提供足夠大的夾緊力，保證刀柄端面和主軸端面之間可靠的接觸。夾緊力大小必須滿足兩方面的要求;(1) 克服刀柄椎體與主軸孔之間因過盈配合而產(chǎn)生的阻力，使刀柄錐面與主軸錐面可靠的接觸。(2) 保證足夠大的拉緊力作用在刀柄端面和主軸端面之間，保證它們之間可靠的接觸，這部分拉緊力應(yīng)占總有效拉緊力的70%以上。一個(gè)完整的高效加緊機(jī)構(gòu)應(yīng)具備5方面黨的功能。（1） 產(chǎn)生夾緊力；（2） 控制夾緊力；（3） 維持夾緊力；（4） 放大夾緊力；（5） 傳遞夾緊力。2.4.1 常用的加緊機(jī)構(gòu)特點(diǎn)分析 對(duì)應(yīng)用于高速加工的具有端面定位的空心短錐結(jié)構(gòu)的工具系統(tǒng)，一般使用內(nèi)漲式的加緊機(jī)構(gòu)。如圖2-6所示的3種加緊機(jī)構(gòu)。 圖 2-6 3種典型的夾緊機(jī)構(gòu)以第一種加緊機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行分析。圖2-6（a）的加緊機(jī)構(gòu)是利用短滑塊斜楔進(jìn)行夾緊力的傳遞、放大的，夾緊力的過程如圖2-7所示。 圖 2-7 夾緊力的傳遞過程2.4.2 HSK工具系統(tǒng)加緊機(jī)構(gòu) 1 定位原理 圖2-8 是HSK工具系統(tǒng)的工作原理是以圖。HSK刀柄在機(jī)床主軸上安裝時(shí)，空心短錐柄在主軸孔內(nèi)起定心作用，當(dāng)空心短錐柄與主軸錐孔完全接觸時(shí)，HSK刀柄法蘭面與主軸端面之間還存在0.1mm的間隙。在加緊機(jī)構(gòu)的作用下，拉桿向左移動(dòng)，拉桿前端的錐面將夾爪徑向漲開，夾爪的外錐面隨后頂在空心短錐柄內(nèi)孔的錐面上，拉動(dòng)HSK刀柄向左移動(dòng)，空心短錐柄產(chǎn)生彈性變形，使刀柄端面與主軸端面靠近，實(shí)現(xiàn)了刀柄與主軸錐面與主軸端面兩面同時(shí)定位和夾緊。松開刀柄時(shí)，拉桿向右移動(dòng)，彈性?shī)A頭離開刀柄內(nèi)錐面，拉桿前端將刀柄推出，即可卸下刀柄。 圖2-8 HSK工具系統(tǒng)的工作原理圖 HSK刀柄的徑向位置精度是由錐面配合性質(zhì)決定的。由于刀柄錐面與主軸錐孔之間是過盈配合的，因此可以達(dá)到很高的徑向定位精度，HSK刀柄的徑向定位精度可以控制在0.25um。HSK刀柄角向位置精度是由錐面和端面同時(shí)決定的，端面可以糾正刀柄錐面安裝不正引起的角向位置誤差，這對(duì)提高長(zhǎng)懸臂導(dǎo)桿角向位置、進(jìn)而提高徑向重復(fù)定位精度非常有利。2 夾緊力分析 高速加工時(shí)HSK刀柄受到的夾緊力是由兩部分組成的，一部分是拉桿原始動(dòng)力提供的夾緊力，稱之靜態(tài)夾緊力，另一部分是由離心力提供的，稱之為動(dòng)態(tài)夾緊力。1） 靜態(tài)加緊力假設(shè)拉桿提供的原始動(dòng)力為 ，則產(chǎn)生對(duì)HSK刀柄的軸向和徑向夾緊力分別為靜態(tài)夾緊力用于克服刀柄椎體與主軸孔之間因過盈配合而產(chǎn)生的阻力以及拉緊刀柄端面和主軸端面。2） 動(dòng)態(tài)夾緊力當(dāng)HSK工具系統(tǒng)處于高速加工狀態(tài)時(shí)，夾爪將受到巨大的離心力作用。離心力將推動(dòng)夾爪徑向移動(dòng)，通過刀柄內(nèi)部斜面作用，產(chǎn)生對(duì)刀柄的軸向和徑向加緊力。離心力產(chǎn)生的對(duì)HSK刀柄的軸向和徑向動(dòng)態(tài)加緊力分別為 外漲式夾頭受到的離心力可表示為 3） 總的加緊力HSK刀柄受到的徑向和軸向總的加緊力分別為若由上式可知，拉桿原始動(dòng)力產(chǎn)生的軸向夾緊力大約是原始力的3.68倍，加緊效率比較高。3 .HSK工具系統(tǒng)性能3.1 HSK工具系統(tǒng)定位精度 定位精度是工具系統(tǒng)的一項(xiàng)主要性能指標(biāo)，它對(duì)切削加工精度和質(zhì)量有重要影響。高速加工中HSK工具系統(tǒng)的定位精度主要包括軸向定位精度和徑向定位精度。3.1.1 軸向定位精度HSK 刀柄軸向定位精度特性完全得益于采用雙面定位加緊的工作方式。適當(dāng)?shù)膴A緊力對(duì)保證HSK工具系統(tǒng)的軸向定位精度是必要的，但當(dāng)夾緊力大于克服錐面的摩擦阻力所需的加緊力時(shí)，增大夾緊力并不能明顯提高其軸向定位精度。3.1.2 軸向定位精度HSK-A型是由后端傳遞扭矩的鍵槽來實(shí)現(xiàn)徑向、軸向定位的。旋轉(zhuǎn)類刀具對(duì)周向定位精度沒有特別要求，但對(duì)于固定刀具，要求具有較高周向定位精度，否則會(huì)影響刀具的位置，從而影響價(jià)格零件尺寸精度、3.2 HSK工具系統(tǒng)剛度 刀柄主軸之間的聯(lián)接剛度是工具系統(tǒng)的另一個(gè)重要的性能參數(shù)，它對(duì)加工質(zhì)量、承載能力、刀具壽命有直接影響。工具系統(tǒng)的聯(lián)接剛度包括軸向剛度、徑向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。3.2.1 軸向剛度 1.軸向剛度的測(cè)量方法圖3-1為軸向剛度的測(cè)試系統(tǒng)圖。為了對(duì)刀柄進(jìn)行軸向剛度的測(cè)試，需要在刀柄軸向施加一個(gè)軸向載荷。為此，在試驗(yàn)臺(tái)上安裝了一個(gè)載荷底座，并在刀柄前端設(shè)置了一段加力螺桿。拉伸載荷通過壓力傳感器測(cè)得。為了測(cè)量刀柄的軸向位移，在刀柄后部安裝了一個(gè)測(cè)量盤，測(cè)量盤上安裝了2個(gè)電感式位移傳感器，取兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)位移的平均值作為刀柄的軸向位移。測(cè)量?jī)牲c(diǎn)的位移并取它們的平均值矯正，可以減小因刀柄傾斜而產(chǎn)生的軸向位移的測(cè)量誤差。 圖3-1 軸向剛度的測(cè)試系統(tǒng)圖 HSK工具系統(tǒng)其軸向位移分三個(gè)階段： 第一階段：高剛度階段。HSK工具系統(tǒng)采用的是端面和錐面同時(shí)加緊的工作方式和外漲式加緊機(jī)構(gòu)，由于主軸和刀柄端面被預(yù)先加緊，當(dāng)軸向載荷較小時(shí)，軸向位移主要是主軸和刀柄前端的彈性回復(fù)變形產(chǎn)生的，而主軸和刀柄的前端較大，軸向位移很小，剛度很高。 第二階段：過度階段。當(dāng)軸向載荷較大時(shí)，主軸和刀柄端面分離，由于刀柄椎體和主軸孔直接存在摩擦阻力，軸向位移主要是由刀柄后端的空心薄壁椎體逐漸變形引起的。隨著載荷的逐漸增大，摩擦阻力被逐漸克服，空心薄壁椎體的變形將逐漸增大，系統(tǒng)的軸向剛度將逐漸減小。 低三階段：低剛度階段。當(dāng)軸向載荷繼續(xù)增大時(shí)，刀柄內(nèi)部斜面將使加緊爪瓣徑向移動(dòng)，實(shí)卡干產(chǎn)生軸向變形。由于拉桿的剛度較差，所以這時(shí)的系統(tǒng)的軸向剛度急劇下降。3.2.2徑向剛度 與軸向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度相比，工具系統(tǒng)的徑向剛度較低，它對(duì)加工質(zhì)量、生產(chǎn)率、刀具壽命影響更大，因此徑向剛度特性是工具系統(tǒng)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。1. 徑向剛度標(biāo)準(zhǔn)化 圖3-2所示為徑向剛度測(cè)量系統(tǒng)圖。工具系統(tǒng)的徑向剛度定義為： 圖 3-2 徑向剛度的測(cè)量示意圖但是按這種方法測(cè)量存在一定問題：（1） 所測(cè)得的位移是刀桿、接口和主軸三者的位移之和。（2） 徑向剛度與測(cè)量點(diǎn)的位置有關(guān)系。即使是對(duì)同一種工具進(jìn)行測(cè)試，由于測(cè)試點(diǎn)的位置不同，得到的剛度曲線和剛度也會(huì)有很大差異。為了對(duì)不同的工具系統(tǒng)的純接口剛度進(jìn)行比較，必須消除這兩個(gè)問題所導(dǎo)致的剛度差異，因此有必要引入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑向剛度，且式中的M為作用在刀柄上的彎矩，為刀柄的轉(zhuǎn)角。 圖3-3為標(biāo)準(zhǔn)徑向剛度的測(cè)量示意圖，在刀柄上安裝一個(gè)測(cè)量環(huán)，分別測(cè)量環(huán)上相距d的兩點(diǎn)相對(duì)主軸端面的位移，可以間接得到刀柄的轉(zhuǎn)角。作用在刀柄上的彎矩M和轉(zhuǎn)角分別為： 圖3-3 標(biāo)準(zhǔn)徑向剛度的測(cè)量示意圖 引入標(biāo)準(zhǔn)徑向剛度后，得到如圖3-4所示，在不同測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)徑向剛度曲線幾乎完全重合，說明標(biāo)準(zhǔn)徑向剛度與測(cè)量點(diǎn)位置無關(guān)。 圖3-4 HSK-A100標(biāo)準(zhǔn)徑向剛度曲線HSK工具系統(tǒng)徑向剛度變化分三個(gè)階段：第一階段：高剛度階段。當(dāng)軸向載荷較小時(shí)，端面傾斜變形主要是主軸和刀柄端面接觸變形以及主軸和刀柄前端的彈性變形產(chǎn)生的，而主軸和刀柄前端直徑較大，端面傾斜變形很小，剛度很高。 第二階段：過渡階段。當(dāng)徑向載荷較大時(shí)，主軸和刀柄端面分離，端面的支撐作用減小。由于椎體與主軸孔直接存在摩擦阻力，將阻止空心薄壁椎體變形引起端面傾斜。隨著徑向載荷增大，摩擦阻力逐漸被克服，空心薄壁椎體的變形將逐漸增大，端面傾斜變形增大，系統(tǒng)的徑向剛度逐漸減小。 第三階段：低剛度階段。當(dāng)徑向載荷繼續(xù)增大時(shí)，刀柄內(nèi)部的斜面將使加緊爪瓣徑向移動(dòng)，使拉桿產(chǎn)生軸向變形。由于拉桿的剛度差，所以這時(shí)刀柄端面傾斜變形加劇，系統(tǒng)的徑向剛度急劇下降。3.2.3 扭轉(zhuǎn)剛度 工具系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度直接影響工具系統(tǒng)的使用性能。圖3-5為HSK工具系統(tǒng)和BT工具系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度曲線對(duì)比圖。HSK工具系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度比同規(guī)格的BT工具系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度 圖3-5 HSK工具系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度曲線對(duì)比圖HSK工具系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度之所以高，有兩方面的原因;(1) HSK刀柄的錐部尺寸較大。雖然HSK刀柄的錐部是空心薄壁結(jié)構(gòu)，但它的直徑較大，而扭轉(zhuǎn)剛度與直徑的4次方成正比。(2) HSK刀柄錐部直徑較短，它只有同規(guī)格的BT刀柄的1/3,而扭轉(zhuǎn)剛度與長(zhǎng)度成反比。4 HSK工具系統(tǒng)的力學(xué)模型 4.1 HSK工具系統(tǒng)力學(xué)模型的建立HSK工具系統(tǒng)與傳統(tǒng)的BT工具系統(tǒng)的最大區(qū)別在于HSK工具系統(tǒng)在利用錐面定位、加緊的同時(shí)，還采用了端面加緊、定位的方式。為了簡(jiǎn)要的說明端面的支撐對(duì)HSK工具系統(tǒng)剛度的影響，可以利用圖4-1所示的HSK工具系統(tǒng)的簡(jiǎn)單力學(xué)模型來分析。 圖4-1 HSK工具系統(tǒng)的簡(jiǎn)單力學(xué)模型由于刀柄與主軸都具有很高的軸向剛度，為了使問題簡(jiǎn)化暫不考慮刀柄與主軸端面的變形。如果夾緊力為，彎矩為FXL，加緊機(jī)構(gòu)的軸向剛度為，這時(shí)可以利用上述模型來進(jìn)行分析：當(dāng)時(shí)，HSK工具系統(tǒng)理論上的徑向剛度無限大。當(dāng)時(shí)，由于HSK刀柄與主軸端面之間開始分離刀柄變形轉(zhuǎn)角為0，這時(shí)HSK工具系統(tǒng)的徑向彎曲剛度急劇下降，下降部分的徑向彎曲剛度為 根據(jù)上述分析，可以得到HSK工具系統(tǒng)的簡(jiǎn)單力學(xué)模型的剛度曲線如圖4-2所示。 圖4-2 HSK工具系統(tǒng)的簡(jiǎn)單力學(xué)模型對(duì)應(yīng)的剛度曲線4.2 HSK工具系統(tǒng)的軸向剛度 在軸向力作用下HSK刀柄各部分的受力情況不同，變形特點(diǎn)也不同。圖4-3為HSK刀柄在不同階段的受力分析圖，其中z為0對(duì)應(yīng)刀柄端面的位置。 圖4-3 HSK刀柄在不同階段的受力分析圖圖（a）為無軸力作用時(shí)刀柄的受力分析情況。圖（b）為軸向力作用下刀柄的受力分析情況。圖（c）為軸向力大于實(shí)際夾緊力時(shí)的受力情況。圖（d）為軸向力繼續(xù)增大時(shí)，完全克服了最面的摩擦力之后，增大的軸向力將全部作用在椎體各截面上。4.3 HSK工具系統(tǒng)的徑向剛度4.3.1 徑向變形分析 HSK工具系統(tǒng)的徑向剛度與端面的支撐效果有密切的聯(lián)系，端面的支撐情況可以用端面的壓力分布的變化來描述，如圖4-4所示。 圖4-4 HSK刀柄端面的受力分析圖HSK刀柄的變形可以劃分為三個(gè)階段：第一階段如圖4-4（b）、（c）、（d）所示。載荷由零逐漸增大，靠近載荷作用端一側(cè)的分布?jí)毫⒅饾u減小直到邊緣的壓力為0.HSK刀柄凸緣端面與主軸端面仍處于緊密貼合狀態(tài)，這時(shí)刀柄的變形實(shí)際上主要是刀柄法蘭面、主軸前端的壓縮變形及接觸表面的變形。第二階段如圖（e）所示。繼續(xù)增大，M點(diǎn)開始分離，端面的支撐作用開始減小，刀柄的彎曲變形增大，整個(gè)HSK刀柄的剛度開始下降。 第三階段如圖（f）所示。當(dāng)載荷再進(jìn)一步增大時(shí)，分離點(diǎn)達(dá)到中部P點(diǎn)，這時(shí)HSK工具系統(tǒng)的剛度主要由HSK刀柄空心椎體部分以及內(nèi)部加緊機(jī)構(gòu)的剛度決定，所以急劇下降。 4.3.2 HSK工具系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度 HSK工具系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度與扭矩的傳遞方式有關(guān)。HSK工具系統(tǒng)的扭矩傳遞方式有兩種，即鍵傳遞扭矩和摩擦力扭矩。摩擦力傳遞扭矩由兩個(gè)基本部分組成，即端面?zhèn)鬟f扭矩和錐面?zhèn)鬟f扭矩。在外部扭載荷作用下，在不同的階段，HSK刀柄各部分所受的扭矩分布有所不同，變形特點(diǎn)也不同。圖4-5為HSK刀柄在不同階段的扭矩的分析圖，其中z為0對(duì)應(yīng)著刀柄端面的位置。 圖4-5 HSK刀柄在不同階段的扭矩分析圖 圖（a）為在較小的外部扭矩載荷作用下刀柄的受力情況。 圖（b）中，這時(shí)增加的扭矩作用在端面右邊位置，各截面受到的扭矩逐漸增大，靠近端面位置增加的較快，而遠(yuǎn)離端面的位置增加較慢。圖（c）和圖（d）所示扭矩載荷繼續(xù)增大，完全克服了錐面的摩擦扭矩后，增大扭矩載荷將全部作用在椎體各截面上，增加的扭矩變形主要是刀柄椎體的變形，因此扭轉(zhuǎn)剛度均勻下降的較快。5 HSK工具系統(tǒng)的動(dòng)平衡5.1 高速加工系統(tǒng)動(dòng)平衡的概念 在高速主軸系統(tǒng)中，任何不平衡的旋轉(zhuǎn)體包括刀柄在內(nèi)的工具系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生離心力，隨著轉(zhuǎn)速的提高離心力迅速增大。對(duì)于高速加工系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)時(shí)除了對(duì)高速加工工具系統(tǒng)提出較為嚴(yán)格的制造尺寸精度和形位公差要求外，平衡精度也作為一個(gè)重要的檢測(cè)項(xiàng)目。有關(guān)試驗(yàn)表明，高速加工工具系統(tǒng)的加工速度達(dá)到3000r/min以上時(shí)，都要對(duì)它進(jìn)行不平衡量檢測(cè)和相應(yīng)平衡校正處理。5.2 影響高速加工工具系統(tǒng)動(dòng)平衡精度的主要因素 在通常情況下，造成高速加工工具系統(tǒng)不平衡的因素比較多，主要有一下兩個(gè)方面。 5.2.1刀具與刀柄的不平衡 （1）刀具材料的冶煉燒結(jié)、熱加工或冷加工過程中，出現(xiàn)晶相缺陷，從而使刀具材質(zhì)不均而引起不平衡，并降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度； （2）刀具制造時(shí)尺寸精度誤差造成不平衡；（3）非對(duì)稱刀具設(shè)計(jì)也是產(chǎn)生不平衡的因素；（4）刀具產(chǎn)生非對(duì)稱偏移的非對(duì)稱零件也會(huì)引起不平衡；（5）使用非對(duì)稱刀具、刀桿都將產(chǎn)生不平衡；（6）非整體式刀具系統(tǒng)裝配時(shí)多個(gè)零件組合的累積誤差產(chǎn)生的徑向偏移和不平衡。5.2.2 主軸不平衡 （1）制造過程中產(chǎn)生的不平衡； （2）回轉(zhuǎn)誤差產(chǎn)生的不平衡； （3）不均勻磨損引起的不平衡；（4）主軸-刀具徑向裝夾誤差引起的不平衡；（5）拉桿-盤形彈簧組件偏移引起的不平衡；（6）主軸-刀具連接面上雜物顆粒的污染以及冷卻潤(rùn)滑液影響引起的不平衡；（7）耦合不平衡。5.3 高速加工工具系統(tǒng)動(dòng)平衡的檢測(cè)與平橫技術(shù) 高速加工工具系統(tǒng)動(dòng)不平衡的檢測(cè)，按照其是否處于工況狀態(tài)可分為離線檢測(cè)和在線檢測(cè)。離線檢測(cè)一般是對(duì)裝配好的工具系統(tǒng)在靜態(tài)條件下，采用通用或?qū)Ｓ脛?dòng)平衡機(jī)檢測(cè)動(dòng)不平衡量的大小和所處相位；在線檢測(cè)則是在工具系統(tǒng)工作時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)利用振動(dòng)測(cè)試儀檢測(cè)不平衡量對(duì)主軸或機(jī)床或工作臺(tái)禪寺的振幅影響。目前高速加工工具系統(tǒng)動(dòng)平衡技術(shù)有三種。1. 去重平衡技術(shù)在制造階段對(duì)刀柄和刀具進(jìn)行動(dòng)平衡。方法是 利用動(dòng)平衡檢測(cè)機(jī)檢測(cè)部平衡量和偏移位置，然后在相反的位置切去相應(yīng)的量。高速加工工具系統(tǒng)進(jìn)行平衡檢測(cè)和平衡校正的一般做法為：首先盡量對(duì)組成工具系統(tǒng)的每個(gè)臨建在設(shè)計(jì)和制造到裝配的每個(gè)環(huán)節(jié)做好平衡處理；然后組裝成一個(gè)獨(dú)立的部件后，針對(duì)其具體結(jié)構(gòu)判斷其高速加工工具系統(tǒng)屬于單面平衡還是雙面平衡。（一） 單面平衡 對(duì)軸向尺寸較短，不超過刀柄錐面長(zhǎng)度2-3倍的HSK工具系統(tǒng)實(shí)施單面靜平衡就能滿足其平衡要求，如圖5-1與5-2. 圖5-1 鉆孔平衡HSK工具系統(tǒng) 圖5-2 調(diào)節(jié)環(huán)平衡HSK工具系統(tǒng)（二） 雙面平衡 軸向尺寸較長(zhǎng)的HSK工具系統(tǒng)，超過了錐柄長(zhǎng)度3倍以上，應(yīng)視作雙面動(dòng)平衡。主要選擇好合理的2個(gè)校正面。一般在刀桿校正面上安裝兩個(gè)帶刻度的平衡調(diào)節(jié)環(huán)，其安裝距離盡可能遠(yuǎn)。如圖5-3. 圖5-3 雙面動(dòng)平衡HSK工具系統(tǒng)2. 調(diào)節(jié)平衡技術(shù) 常用的可調(diào)平衡刀柄是在標(biāo)準(zhǔn)刀柄上增加可平衡的部件。一種是在刀柄的外端面上作出一