高速加工工具系统的研究

前言

高速加工是集材料科学、工程力学、机械动力学和制造科学于一体的高新加工技术，在汽
车制造、航空航天和机械加工多个行业得到了越来越广泛的应用。高速加工工具系统是高
速加工机床的重要组成部分，其性能直接影响到加工质量和加工效率。因此，高速加工工

具系统的研究与开发倍受国内外机械工程专家和学者的关注。

半个多世纪以来，传统的 BT(7:24 锥度)工具系统在机械加工中发挥了重要的作用。图 1 是
高速加工时 BT 工具系统工作示意图。高速加工时主轴工作转速达到每分钟数万转，在离
心力作用下主轴孔的膨胀量比实心的刀柄大，使锥柄与主轴的接触面积减少，导致 BT
工具系统的径向刚度、定位精度下降；在夹紧机构拉力的作用下，BT 刀柄的轴向位置发
生变化，轴向精度下降，从而影响加工精度；机床停车时，刀柄内陷于主轴孔内将很难
拆卸。另外，由于 BT 工具系统仅使用锥面定位、夹紧，还存在换刀重复精度低、连接刚度
低、传递扭矩能力差、尺寸大、重量大、换刀时间长等缺点。为解决上述问题，美国、德国、日
本等工业发达国家相继开发出若干新型工具系统，以满足现代机械加工生产的要求。

图 1 传统的 BT 工具系统工作示意图

2

国外新型工具系统的开发

1.HSK

工具系统

HSK 刀柄是德国阿亨工业大学机床研究所研究的一种新型的高速短锥刀柄(见图 2a) ，其
结构特点是空心、薄壁、短锥，锥度为 1:10 ；端面与锥面同时定位、夹紧，刀柄在主轴中

的定位为过定位；使用由内向外的外涨式夹紧机构。
HSK 工具系统最突出的特点就是端面和锥面同步接触。夹紧时，由于锥部有过盈，所以
锥面受压产生弹性变形，同时刀柄向主轴锥孔轴向位移，以消除初始间隙，实现端面之
间的贴合，这样就实现了双面同步夹紧。就其本身的定位而言，这种保证锥面和端面同时
定位的方式实质上是过定位。HSK 接口的径向精度是由锥面接触特性决定的，这一点与
BT 锥柄一致(二者的径向精度均可达到 0.2µm) 。HSK 接口的轴向精度由接触端面决定，
这与 BT 锥柄明显不同，中空结构是 HSK 刀柄的一个重要特征。要实现双面接触，锥面必
须产生弹性变形，与实心柄相比，空心柄产生弹性变形容易得多，所消耗的夹紧力也小
得多，而当主轴高速回转时，空心薄壁的径向膨胀量与主轴内锥孔相差不大，有利于在
较大转速范围内保持锥面的可靠接触。HSK 刀柄的空心柄部还为夹紧机构提供了安装空
间，以实现由内向外的夹紧。这种夹紧方式可以把离心力转化为夹紧力，使刀柄在高转速
下工作时的夹紧更为可靠。此外，HSK

刀柄的空心柄部还使内部切削液的供应成为可能。

HSK 工具系统以其定位精度高，静、动态刚度高，尺寸小、重量轻、结构紧凑，适合高速
切削等优点，已成为高速加工中最有发展潜力的高级系统。国际标准化组织最终确定以
HSK

为新型工具系统的国际标准，并于 2001 年颁布了该项 ISO 标准(ISO12164)

。