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摘 要：高速切削技术是近十多年来发展最为迅速的先进制造技术之一。文章在论述高速切削技术发展历程和特点的基础上，着重研究了高速切削技术中的刀柄结构，包 括HSK、KM及CAPTO，并比较了常用的BT刀柄与HKS、KM刀柄的拉紧特性。对高速旋转所带来的特殊的动平衡问题及其执行标准也作了叙述。
1、概述
高 速切削是一个相对概念，并且随着时代的进步而不断变化。一般认为高速切削或超高速切削的速度为普通切削加工的5～10倍。可以从不同的角度对切削速度进行 划分，如从加工工艺的角度看，高速切削加工范围为：车削700~7000m/min；铣削300~6000m/min；钻削 200~1100m/min；磨削150~360m/min。也可以根据被加工材料来确定高速切削的范围，如加工钢材达到380m/min以上、铸铁 700m/min以上、铜材1000m/min以上、铝材1100m/min以上。也可以根据主轴转速、功率、锥孔大小、和平衡标准来划分，如按主轴的 Dn值划分，高速主轴的Dn值一般为500000~2000000；对于加工中心，可按主轴锥孔的大小来划分：50号锥—— 10000~20000r/min；40号锥——20000~40000r/min；30号锥——25000~40000r/min；HSK锥—— 20000~40000r/min；KM锥——35000r/min以上。而根据ISO—1940，高速主轴的转速至少要超过8000r/min。 1978年CIRP切削委员会将高速切削定为500～7500 m/min[1][2][3]。
研究表明：随着切削速度的提高，切削力会降低15～30％以上，切削热量大多被切屑带走，加工表面质量可提高1～2级，生产效率的提高，可降低制造成本20％～40％。所以高速切削意义不仅仅是得到较高的表面切削质量[2]。
国 外对高速切削技术的研究比较早，可以追溯到20世纪60年代。目前已应用于航空、航天、汽车、模具等多种工业中的钢、铸铁及其合金、铝、镁合金、超级合金 （镍基、铬基、铁基和钛基合金）及碳素纤维增强塑料等复合材料的加工，其中以加工铸铁和铝合金最为普遍。加工钢和铸铁及其合金可达到500～1500 m/min，加工铝及其合金可达到3000～4000 m/min[3]。
我国在高速切削领域方面的研究起步较晚，20世纪80年代才开 始研究高速硬切削。刀具以高速钢、硬质合金为主，切削速度大多在100～200 m/min，高速钢在40 m/min以内。切削水平和加工效率都比较低。近年来，虽然对高速切削技术已有比较深的认识，进口的部分数控机床和加工中心中也能达到高速切削加工的要 求，但由于刀具等原因，高速切削技术应用也较少。目前主要在模具、汽车、航空、航天工业应用高速切削技术稍多，一般采用进口刀具，以加工铸铁和铝合金为主 [3]。
高速切削技术主要分为两方面，一方面是高速切削刀具技术，包括刀具材料、刀柄和刀夹系统、刀具动平衡技术、高速切削数据库技术、 检测与监控系统等；另一方面是高速数控机床技术，包括机床整机结构的静动热态特性、电主轴、直线电机进给系统、数控与伺服系统的高速及高加速度性能、轴承 润滑系统、刀具冷却系统等。本文重点谈谈高速切削技术中的刀柄结构。
2、典型的刀柄结构及其特性
一般切削最常用的是BT刀柄，而高速切削用得比较多的是HSK刀柄。
BT 刀柄的锥度为7：24，转速在10,000r/min左右时，刀柄－主轴系统还不会出现明显的变形，但当主轴从10,000 r/min升高到40,000 r/min时，由于离心力的作用，主轴系统的端部将出现较大变形，其径跳由0.2 m左右增加到2.8 m左右。刀柄与主轴锥孔间将出现明显的间隙（见图1），严重影响刀具的切削特性，因此BT刀柄一般不能用于高速切削[3]。
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图1 高速下离心力造成BT刀柄－主轴系统变形
HSK刀柄锥的结构形式与常用的BT刀柄不同，它是一种新型的高速锥型刀柄，采用锥面与端面双重定位的方式（见图2），在足够大的拉紧力作用下，HSK 1：10空心工具锥柄和主轴1：10锥孔之间在整个锥面和支承平面上产生摩擦，提供封闭结构的径向定位。
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图2 HSK的双重定位结构
平面夹紧定位防止刀柄的轴向窜动。HSK短锥柄部长度短（约为标准BT锥柄长度的1/2）、重量轻，因此换刀时间短。在整个速度范围内，HSK锥柄比BT（7：24）具有更大的动、静径向刚度和良好的切削性能。分为A、B、C、D、E、F型（见图3）。
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图3 HSK结构形式
国 内采用DIN6989b－1中的A型和C型标准，如 HSK50A、HSK63A、HSK100A等。HSK50和HSK63刀柄的主轴转速可达25,000 r/min，HSK100刀柄可达12,000r/min，精密平衡后的HSK刀柄可达40,000r/min。随着转速增加，径向刚度将有所降低，见图 4。
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图4 HSK与BT锥柄主轴转速与径向刚度关系比较
KM刀柄是1987年美国 Kennametal公司与德国Widia公司联合研制的1:10短锥空心刀柄（见图5），其长度仅为标准7:24锥柄长度的1/3。由于配合锥度比较 短，且刀柄设计成中空结构，在拉杆轴向拉力的作用下，短锥可径向收缩，所以有效地解决了端面与锥面同时定位而产生的干涉问题。
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图5 KM刀柄的结构
研究表明：与BT刀柄相比，HSK刀柄与KM刀柄具有更加优越的静刚度和动刚度，其中由于KM刀柄的拉紧力与锁紧力明显大于HSK刀柄，所以KM刀柄的性能最优。它们的结构及性能比较见表1。
刀柄型号 BT40 HSK-63B KM6350
刀柄结构及主要尺寸
锁紧机构
柄部结构特征 7:24实心 1:10空心 1:10空心
结合及定位部位 锥面 锥面+端面 锥面+端面
传力结构 弹性套筒 弹性套筒 钢球
拉紧力/kN 12.1 3.5 11.2
锁紧力/kN 12.1 10.5 33.5
过盈量/μm — 3~10 10-25
3、其他高速刀柄结构
高速切削在实际生产中使用得越来越多，但其高速刀柄的结构并不象BT刀柄那样通用，许多方面还没有形成标准，所以高速刀柄的形式多种多样，如Sandvik公司生产的CAPTO刀柄就很特殊，其刀柄为三棱体锥，而不是常见的圆锥型，锥度为1:20，见图6。
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图6 Sandvik公司的CAPTO刀柄
由于三棱锥的表面比较大，所以刀具的表面压力低、不易变形、精度保持性比较好。另外由于该结构不需要传动键就可以实现正反两个方向的转矩传递，所以消除了由于键和键槽引起的动平衡问题。见图7、图8。当然也带来了成本高，与其他现有刀柄不兼容等缺点。
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图7 CAPTO刀柄承受弯矩的情形
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图8 CAPTO刀柄承受扭矩的情形
4、高速刀柄的平衡技术
由 于刀体里存在缺陷，或刀具设计不对称，或刀具进行过新的调节，都有可能引起刀具系统的不平衡。高速旋转的刀柄如果不平衡量太大不仅会引起主轴及其部件的额 外振动，还会引起刀具的不规则磨损，缩短刀具寿命，降低零件的加工质量。一般在6000 r/min 以上就必须平衡，以保证安全。
旋转部件的不平衡量ψ是指质量重心偏离旋转轴心的量，即：
ψ=em （1）
式中 e——偏心量（mm）；
m——旋转部件的质量（g）。
根 据牛顿第二定律，由于不平衡量的存在，在旋转过程中将产生与速度平方成正比的离心力F。对于旋转体的平衡，国际上采用的标准是ISO1940- 1或美国标准ANSIS2.19，用G参数对刚性旋转体进行分级，G的数字量分级从G0.4到G4000。G后面的数字越小，平衡等级越高。在该标准中， 允许的不平衡量U（g•mm）为：
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式中 G——G等级量，每单位旋转体质量所允许的残余不平衡量（g•mm/kg）；
m——旋转部件的质量（kg）；
n——主轴转速（rpm）；
9545——常数。
对不同机床的动平衡要求：普通机床的旋转件G6.3；普通刀柄和机床传动件G2.5；磨床及精密机械旋转件G1.0；精密磨床主轴及部分高速电主轴G0.4；6000rpm以上的高速切削刀具和刀柄系统必须使动平衡≤G2.5。
高速切削刀具系统的动平衡措施有：装平衡环、内装动平衡机构的刀柄（通过调整补偿环移动内部配重的位置以补偿不平衡量）、增加材料或去除材料。
在使用过程中，一定要注意并不是平衡等级越高越好，还要考虑到经济性成本问题，更好的平衡是与加工精度相当。一般认为只要整个不平衡力小于切削力，则进一步的平衡不大可能改善切削质量。
Sandvik 公司是国际刀具制造业大亨，他们对刀具平衡问题也做了相当深入的研究，并指出现在在机床上执行的ISO1940-1标准具有不合理性，一是该标准原先是针 对电厂涡轮机的刚性转子而制定的，并不是针对机床主轴和刀具系统制定的；二是该标准对机床来说过于严格，执行起来并不经济。
5、结束语
目 前市场上性能优越且应用量比较大的高速刀柄主要是HSK和KM。但KM刀柄的应用主要在美国市场，就德国的HSK刀柄而言，不仅生产量大，应用普遍，而且 得到了国际上的广泛认可，世界各国大部分机床公司在生产高速机床时都将HSK作为首选刀柄，国内在开发、生产和应用高速刀柄的过程中也基本与此趋势相一 致。就目前高速刀柄技术的发展趋势来看，可以预见今后在刀柄带平衡装置和减振装置、多功能智能型刀柄、整个刀具系统的全自动平衡系统等方面将有较大的发展 空间；而在应用方面将着重解决刀具结构与形式的统一、采用双面定位系统、提高各元件的制造精度、提高总体的平衡精度等问题。高速切削技术的发展及其应用将 为我国制造技术水平的提高发挥更大作用
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