高速加工工具系统

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1、高速加工工具系统（程学亮研机制12s1203006）摘要：本文介绍了高速加工的技术特点以及国内外高速加工工具系统的开发与研究情况。此外，还介绍了高速加工工具系统的结构，并着重介绍了HSK工具系统的性能、力学模型、动平衡。最后指出了高速加工工具系统存在的问题以及今后的研究方向。关键字:高速加工;系统结构；系统性能；力学模型；动平衡1引言随着科学技术的发展，机械制造技术朝着高速、低消耗、优质和高精度的方向迈进。高速加工与精密加工、高能束加工、柔性自动化加工一起，构是成了当今机械制造中的四大先进制造技术。高速加工工具系统是高速加工机床的重要组成部分，其性能直接影响高速加工的

2、质量与效率，收到了各国机械工程界和相关学者的高度重视。为了提高制造业在国际市场的竞争力，世界各国，特别是发达国家投入了大量人力物力用于研究、开发适于高速加工的工具系统。高速加工是一个动态概念，其中高速切削是高速加工的一个重要组成部分，它主要有一下特点：（1）能获得较高的加工精度。（2）能获得较高的加工表面完整性。（3）加工能耗低、节省制造资源。（4）能有效抑制切削振动的影响，降低加工表面粗糙度。（5）能加工各种难加工材料。（6）降低加工成本。目前高速加工已广泛应用于飞机和航空制造业，汽车、模具制造业，精密机械工业等。高速加工是制造技术中的一项新技术，应用领域广，对制造

3、业的影响大，它是新材料技术、计算机技术、控制技术和精密制造技术等多项综合应用发展的结果。高速加工的关键技术为：（1）高速切削机理。（2）高速切削刀具技术。（3）高速切削机床技术。（4）高速切削工艺技术。（5）高速加工的测试技术。其中，高速机床是实现高速加工的基础，主要包括：（1）高速主轴单元。（2）高速进给系统。（3）CNC控制系统。（4）高速刀具与机床接口技术。高速加工工具系统包括主轴、刀柄、刀具和加紧机构等，它的核心是连接刀柄。工具系统的性能对加工质量、生产效率、刀具寿命、加工成本都有很大的影响。由于传统的工具系统结构并没有考虑到高速加工时离心力的影响，导致它在精

4、度、刚度、刀具装卸、安全性等方面产生了一系列问题，严重地影响了高速加工质量、稳定性和安全性，因此，开发出适用于高速加工的新型工具系统是高速加工中必须解决的一个关键问题。半个多世纪以来，传统的BT工具系统在机械加工中发挥了重要作用。但随着加工精度和加工效率的提高，特别是高速加工技术的的应用，传统的BT刀柄已无法适应现代机械加工的要求。目前，在国际工具系统市场上影响较大的高速工具系统有：德国开发的HSK工具系统;日本日研公司研发的NC5工具系统；瑞典SANDVIKCOROMANT公司研发的CAPT工具系统等。这些工具大都采用了端面和锥面同时加紧的两面夹紧式工作方式。在众多

5、的高速加工工具系统中，机械工程专家和学者都普遍认为德国开发的HSK工具系统系能优良，具有动静刚度高、定位精度好、允许转速高等特点。到目前为止，一共有6种型号的HSK工具系统，结构图如1-1所示。这六种型号的HSK刀柄共同的结构特点是：（1）空心、薄壁、短锥，锥度为1:10；（2）端面与锥面同时定位加紧，刀柄在主轴中的定位为过定位；（3）使用由内向外的外涨式加紧机构。图1-16种HSK刀柄结构图2高速加工工具系统结构2.1基本功能要求高速加工工具系统的基本功能是保证刀具在机床中的准确定位，并在高速加工时保持不变，同时传递加工时所需要的运动和动力。为实现高速加工工具系统的

6、基本功能，对应提出以下5个方面的要求：（1）定位精度。高速加工对工具系统的动平衡精度要求很高。刀柄的定位精度包括径向定位精度和轴向定位精度。（2）动力的传递能力切削加工时刀具受到各种力的作用，这些力包括轴向力、径向力、弯矩、扭矩等，这些力最终都由工具系统来传递和承受。（3）传递高速运动的能力传递高速运动的能力是区分高速加工工具系统与普通工具系统的一个重要标志。由于高速加工时主轴的转速很高，工具系统受到巨大党的离心力作用，必须考虑离心力引起的零部件的变形对其功能的影响。（4）高刚度和阻尼特性工具系统在传递和承受各种作用力的同时将产生变形，将使加工过程中刀具的位置发生变化

7、，一些零件的加工精度和表面质量降低，缩短刀具的使用寿命，因此高速加工工具系统应该有较高的刚度特性。工具系统的刚度包括静刚度和动刚度。静刚度是动刚度的基础。（1）介质的传递能力精密、高效、自动化室现代加工技术的重要特征。精密高效的切削加工对切削液的依赖越来越高，而加工过程的自动化离不开加工过程中各种信号的传递与控制。2.2辅助功能要求1）对加工环境具有良好的适应性（1）抗化学腐蚀性能。（2）热变形补偿能力。（3）抗污能力。（4）过载保护能力。2）操作方便（1）便于换刀。（2）便于预调刀具的调整和使用。（3）便于刀具的识别。（4）便于易损件的更换。2.3