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高速加工工具系統(tǒng) （程學亮 研機制12 s1203006）摘要：本文介紹了高速加工的技術特點以及國內(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)的結構，并著重介紹了HSK工具系統(tǒng)的性能、力學模型、動平衡。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。關鍵字:高速加工; 系統(tǒng)結構； 系統(tǒng)性能；力學模型；動平衡1引言 隨著科學技術的發(fā)展，機械制造技術朝著高速、低消耗、優(yōu)質(zhì)和高精度的方向邁進。高速加工與精密加工、高能束加工、柔性自動化加工一起，構是成了當今機械制造中的四大先進制造技術。高速加工工具系統(tǒng)是高速加工機床的重要組成部分，其性能直接影響高速加工的質(zhì)量與效率，收到了各國機械工程界和相關學者的高度重視。為了提高制造業(yè)在國際市場的競爭力，世界各國，特別是發(fā)達國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)。 高速加工是一個動態(tài)概念，其中高速切削是高速加工的一個重要組成部分，它主要有一下特點：（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用于飛機和航空制造業(yè)，汽車、模具制造業(yè) ，精密機械工業(yè)等。 高速加工是制造技術中的一項新技術，應用領域廣，對制造業(yè)的影響大，它是新材料技術、計算機技術、控制技術和精密制造技術等多項綜合應用發(fā)展的結果。高速加工的關鍵技術為：（1） 高速切削機理。（2） 高速切削刀具技術。（3） 高速切削機床技術。（4） 高速切削工藝技術。（5） 高速加工的測試技術。 其中，高速機床是實現(xiàn)高速加工的基礎，主要包括：（1） 高速主軸單元。（2） 高速進給系統(tǒng)。（3） CNC控制系統(tǒng)。（4） 高速刀具與機床接口技術。高速加工工具系統(tǒng)包括主軸、刀柄、刀具和加緊機構等，它的核心是連接刀柄。工具系統(tǒng)的性能對加工質(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)結構并沒有考慮到高速加工時離心力的影響，導致它在精度、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關鍵問題。 半個多世紀以來，傳統(tǒng)的BT工具系統(tǒng)在機械加工中發(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的的應用，傳統(tǒng)的BT刀柄已無法適應現(xiàn)代機械加工的要求。目前，在國際工具系統(tǒng)市場上影響較大的高速工具系統(tǒng)有：德國開發(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，機械工程專家和學者都普遍認為德國開發(fā)的HSK工具系統(tǒng)系能優(yōu)良，具有動靜剛度高、定位精度好、允許轉(zhuǎn)速高等特點。到目前為止，一共有6種型號的HSK工具系統(tǒng)，結構圖如1-1所示。這六種型號的HSK刀柄共同的結構特點是：（1） 空心、薄壁、短錐，錐度為1:10；（2） 端面與錐面同時定位加緊，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構。 圖1-1 6種HSK刀柄結構圖2 高速加工工具系統(tǒng)結構 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床中的準確定位，并在高速加工時保持不變，同時傳遞加工時所需要的運動和動力。 為實現(xiàn)高速加工工具系統(tǒng)的基本功能，對應提出以下5個方面的要求：（1） 定位精度。高速加工對工具系統(tǒng)的動平衡精度要求很高。刀柄的定位精度包括徑向定位精度和軸向定位精度。（2） 動力的傳遞能力切削加工時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） 傳遞高速運動的能力傳遞高速運動的能力是區(qū)分高速加工工具系統(tǒng)與普通工具系統(tǒng)的一個重要標志。由于高速加工時主軸的轉(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)應該有較高的剛度特性。工具系統(tǒng)的剛度包括靜剛度和動剛度。靜剛度是動剛度的基礎。（5） 介質(zhì)的傳遞能力精密、高效、自動化室現(xiàn)代加工技術的重要特征。精密高效的切削加工對切削液的依賴越來越高，而加工過程的自動化離不開加工過程中各種信號的傳遞與控制。2.2 輔助功能要求 1）對加工環(huán)境具有良好的適應性（1）抗化學腐蝕性能。（2）熱變形補償能力。（3）抗污能力。（4）過載保護能力。2）操作方便（1） 便于換刀。（2）便于預調(diào)刀具的調(diào)整和使用。（3）便于刀具的識別。（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)的連接功能實際上是實現(xiàn)刀柄在主軸中的準確定位。對于旋轉(zhuǎn)刀具，一般需要限制刀具的5個自由度，而繞主軸的轉(zhuǎn)動自由度可以不限制。工具系統(tǒng)的定位方案是由其軸向縱截面結構決定的。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償能力，不可重磨錐面的缺點。隨著制造技術的發(fā)展，現(xiàn)代機床上一般都使用錐面刀柄。錐面刀柄的最大的優(yōu)點是刀柄裝卸方便，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系。如果工具系統(tǒng)采用了端面定位，那么工具系統(tǒng)動力的傳遞能力還與刀柄端面的結構有關。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置傳遞扭矩的鍵槽（如圖2-3（b）和2-3（c）或端面設置傳遞扭矩的鍵槽（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力，容易發(fā)生磨損和損壞，這會增加使用、維護的成本。 圖2-3 各種圓錐面結構工具系統(tǒng)2.3.4 高速加工工具系統(tǒng)最佳截面形狀的設計 傳統(tǒng)的BT工具系統(tǒng)廣泛應用于普通切削加工的機床中，但無法應用于高速切削加工。圖2-4 是高速加工時BT工具系統(tǒng)的工作狀況示意圖。 圖 2-4 高速加工時BT工具系統(tǒng)的工作狀況示意圖高速切削加工時，主軸工作轉(zhuǎn)速每分鐘達數(shù)萬轉(zhuǎn)，在巨大的離心力作用下主軸孔的膨脹量比實心的刀柄大，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） 在加緊機構拉力的作用，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，這種結構還存在以下缺點：(1) 換刀重復精度低；(2) 連接剛度低、扭矩傳遞能力低；(3) 尺寸大、重量重，換刀時間長。為了解決上述問題，高速加工工具系統(tǒng)在結構上應采取措施如下：（1） 刀柄的橫截面采用中空薄壁結構，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)的結構。由于刀柄端面的支撐作用，可以防止在高速加工時由于主軸孔與刀柄的膨脹差異而產(chǎn)生的刀柄軸向竄動，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)應優(yōu)先采用具有端面定位的空心短錐結構。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)的加緊機構 為了充分發(fā)揮工具系統(tǒng)的性能，必須配備一個高效加緊機構，通過加緊機構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，這部分拉緊力應占總有效拉緊力的70%以上。一個完整的高效加緊機構應具備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 常用的加緊機構特點分析 對應用于高速加工的具有端面定位的空心短錐結構的工具系統(tǒng)，一般使用內(nèi)漲式的加緊機構。如圖2-6所示的3種加緊機構。 圖 2-6 3種典型的夾緊機構以第一種加緊機構為例進行分析。圖2-6（a）的加緊機構是利用短滑塊斜楔進行夾緊力的傳遞、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)加緊機構 1 定位原理 圖2-8 是HSK工具系統(tǒng)的工作原理是以圖。HSK刀柄在機床主軸上安裝時，空心短錐柄在主軸孔內(nèi)起定心作用，當空心短錐柄與主軸錐孔完全接觸時，HSK刀柄法蘭面與主軸端面之間還存在0.1mm的間隙。在加緊機構的作用下，拉桿向左移動，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HSK刀柄向左移動，空心短錐柄產(chǎn)生彈性變形，使刀柄端面與主軸端面靠近，實現(xiàn)了刀柄與主軸錐面與主軸端面兩面同時定位和夾緊。松開刀柄時，拉桿向右移動，彈性夾頭離開刀柄內(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，這對提高長懸臂導桿角向位置、進而提高徑向重復定位精度非常有利。2 夾緊力分析 高速加工時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，稱之為動態(tài)夾緊力。1） 靜態(tài)加緊力假設拉桿提供的原始動力為 ，則產(chǎn)生對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） 動態(tài)夾緊力當HSK工具系統(tǒng)處于高速加工狀態(tài)時，夾爪將受到巨大的離心力作用。離心力將推動夾爪徑向移動，通過刀柄內(nèi)部斜面作用，產(chǎn)生對刀柄的軸向和徑向加緊力。離心力產(chǎn)生的對HSK刀柄的軸向和徑向動態(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)的一項主要性能指標，它對切削加工精度和質(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?shù)膴A緊力對保證HSK工具系統(tǒng)的軸向定位精度是必要的，但當夾緊力大于克服錐面的摩擦阻力所需的加緊力時，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現(xiàn)徑向、軸向定位的。旋轉(zhuǎn)類刀具對周向定位精度沒有特別要求，但對于固定刀具，要求具有較高周向定位精度，否則會影響刀具的位置，從而影響價格零件尺寸精度、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)的另一個重要的性能參數(shù)，它對加工質(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.軸向剛度的測量方法圖3-1為軸向剛度的測試系統(tǒng)圖。為了對刀柄進行軸向剛度的測試，需要在刀柄軸向施加一個軸向載荷。為此，在試驗臺上安裝了一個載荷底座，并在刀柄前端設置了一段加力螺桿。拉伸載荷通過壓力傳感器測得。為了測量刀柄的軸向位移，在刀柄后部安裝了一個測量盤，測量盤上安裝了2個電感式位移傳感器，取兩個測量點位移的平均值作為刀柄的軸向位移。測量兩點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)生的軸向位移的測量誤差。 圖3-1 軸向剛度的測試系統(tǒng)圖 HSK工具系統(tǒng)其軸向位移分三個階段： 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加緊的工作方式和外漲式加緊機構，由于主軸和刀柄端面被預先加緊，當軸向載荷較小時，軸向位移主要是主軸和刀柄前端的彈性回復變形產(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。當軸向載荷較大時，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。當軸向載荷繼續(xù)增大時，刀柄內(nèi)部斜面將使加緊爪瓣徑向移動，實卡干產(chǎn)生軸向變形。由于拉桿的剛度較差，所以這時的系統(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)研究的重點內(nèi)容。1. 徑向剛度標準化 圖3-2所示為徑向剛度測量系統(tǒng)圖。工具系統(tǒng)的徑向剛度定義為： 圖 3-2 徑向剛度的測量示意圖但是按這種方法測量存在一定問題：（1） 所測得的位移是刀桿、接口和主軸三者的位移之和。（2） 徑向剛度與測量點的位置有關系。即使是對同一種工具進行測試，由于測試點的位置不同，得到的剛度曲線和剛度也會有很大差異。為了對不同的工具系統(tǒng)的純接口剛度進行比較，必須消除這兩個問題所導致的剛度差異，因此有必要引入一個標準徑向剛度，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為標準徑向剛度的測量示意圖，在刀柄上安裝一個測量環(huán)，分別測量環(huán)上相距d的兩點相對主軸端面的位移，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 標準徑向剛度的測量示意圖 引入標準徑向剛度后，得到如圖3-4所示，在不同測量點測得的標準徑向剛度曲線幾乎完全重合，說明標準徑向剛度與測量點位置無關。 圖3-4 HSK-A100標準徑向剛度曲線HSK工具系統(tǒng)徑向剛度變化分三個階段：第一階段：高剛度階段。當軸向載荷較小時，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。當徑向載荷較大時，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。當徑向載荷繼續(xù)增大時，刀柄內(nèi)部的斜面將使加緊爪瓣徑向移動，使拉桿產(chǎn)生軸向變形。由于拉桿的剛度差，所以這時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構，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)剛度與長度成反比。4 HSK工具系統(tǒng)的力學模型 4.1 HSK工具系統(tǒng)力學模型的建立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，還采用了端面加緊、定位的方式。為了簡要的說明端面的支撐對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)的簡單力學模型來分析。 圖4-1 HSK工具系統(tǒng)的簡單力學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，加緊機構的軸向剛度為，這時可以利用上述模型來進行分析：當時，HSK工具系統(tǒng)理論上的徑向剛度無限大。當時，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)的簡單力學模型的剛度曲線如圖4-2所示。 圖4-2 HSK工具系統(tǒng)的簡單力學模型對應的剛度曲線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對應刀柄端面的位置。 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）為軸向力大于實際夾緊力時的受力情況。圖（d）為軸向力繼續(xù)增大時，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的分布壓力將逐漸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)，這時刀柄的變形實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HSK刀柄的剛度開始下降。 第三階段如圖（f）所示。當載荷再進一步增大時，分離點達到中部P點，這時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)部加緊機構的剛度決定，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。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對應著刀柄端面的位置。 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)的動平衡5.1 高速加工系統(tǒng)動平衡的概念 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)都會產(chǎn)生離心力，隨著轉(zhuǎn)速的提高離心力迅速增大。對于高速加工系統(tǒng)而言，設計時除了對高速加工工具系統(tǒng)提出較為嚴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重要的檢測項目。有關試驗表明，高速加工工具系統(tǒng)的加工速度達到3000r/min以上時，都要對它進行不平衡量檢測和相應平衡校正處理。5.2 影響高速加工工具系統(tǒng)動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，主要有一下兩個方面。 5.2.1刀具與刀柄的不平衡 （1）刀具材料的冶煉燒結、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，并降低結構強度； （2）刀具制造時尺寸精度誤差造成不平衡；（3）非對稱刀具設計也是產(chǎn)生不平衡的因素；（4）刀具產(chǎn)生非對稱偏移的非對稱零件也會引起不平衡；（5）使用非對稱刀具、刀桿都將產(chǎn)生不平衡；（6）非整體式刀具系統(tǒng)裝配時多個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)動平衡的檢測與平橫技術 高速加工工具系統(tǒng)動不平衡的檢測，按照其是否處于工況狀態(tài)可分為離線檢測和在線檢測。離線檢測一般是對裝配好的工具系統(tǒng)在靜態(tài)條件下，采用通用或?qū)Ｓ脛悠胶鈾C檢測動不平衡量的大小和所處相位；在線檢測則是在工具系統(tǒng)工作時在現(xiàn)場利用振動測試儀檢測不平衡量對主軸或機床或工作臺禪寺的振幅影響。目前高速加工工具系統(tǒng)動平衡技術有三種。1. 去重平衡技術在制造階段對刀柄和刀具進行動平衡。方法是 利用動平衡檢測機檢測部平衡量和偏移位置，然后在相反的位置切去相應的量。高速加工工具系統(tǒng)進行平衡檢測和平衡校正的一般做法為：首先盡量對組成工具系統(tǒng)的每個臨建在設計和制造到裝配的每個環(huán)節(jié)做好平衡處理；然后組裝成一個獨立的部件后，針對其具體結構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 對軸向尺寸較短，不超過刀柄錐面長度2-3倍的HSK工具系統(tǒng)實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 軸向尺寸較長的HSK工具系統(tǒng)，超過了錐柄長度3倍以上，應視作雙面動平衡。主要選擇好合理的2個校正面。一般在刀桿校正面上安裝兩個帶刻度的平衡調(diào)節(jié)環(huán)，其安裝距離盡可能遠。如圖5-3. 圖5-3 雙面動平衡HSK工具系統(tǒng)2. 調(diào)節(jié)平衡技術 常用的可調(diào)平衡刀柄是在標準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