走向世界前列的日本刀具接口技术

    随着世界范围的金融危机和针对减少CO₂排放量而提出的对策，再加上以中国为首的大规模新兴经济圈的确立，制造业的生存环境正迎来一个大的变革期。
    机床制造商为了获得高附加值，创造利润和高效率，对技术开发投入了大量精力。与此同时，如何节约资源、降低能耗也成为一个重要课题，受到人们的重视。
    为了获得高附加值，人们开发上市了五轴加工中心和复合加工机床。为了响应降低能耗的号召，机床的小型化、轻量化以及相关的技术规范被制定为国际标准。
    本文将围绕复合加工机床，对车铣复合加工机床接口委员会（ICTM）开发的HSK-T接口系统及其国际标准化，以及各种刀具接口技术进行说明。
    接口的重要性
    接口是指“性能不同的两个器件之间的连接部分”，在机床中，主轴与刀具之间的连接至关重要。
    在日本，经常使用被称为BT刀柄的7/24锥度接口，在欧美也有同样规格的接口。由于其中3种接口的锥柄长度和ATC采用的法兰形状不同，因此在安装时不能互换，在国际标准（ISO7388-1/-2）中有各自的规定。近年来，机械加工业的竞争已经打破了国界的局限，资源的有效利用变得不可或缺，实现接口的通用化已成为一个极为重要的课题。
    用于复合加工机床的接口开发
    （1）ICTM-HSK工具系统
    从20世纪90年代后期开始，可在一台机床上同时进行铣削和车削加工的复合加工机床由日本机床制造商作为一种标准机型推向市场，迄今，这种丝毫不逊色于加工中心、CNC车床的先进机床已为世人所熟知。
    为了顺应技术发展潮流，2001年1月，8家工具系统制造商、9家硬质合金切削刀具制造商共同成立了ICTM委员会，其宗旨是开发和推广应用“适用于复合加工机床的优质接口”。
    ICTM以确保世界范围内的制造商可以自由制造、销售开放标准的接口系统作为基本方针，保证了新型接口的顺利开发。2002年10月，ICTM-HSK接口系统正式面世。
    ICTM-HSK是一种车削工具系统，与国际标准（ISO-12164-1/-2）规定的、目前全球普遍使用的HSK-A铣削工具系统可以通用。由此说明，在加工中心和复合加工机床上采用通用刀具接口是有可能实现的。
    针对HSK-A系统，ICTM-HSK工具系统将复合加工机床的刀具驱动主轴与车削刀具夹持槽嵌入部分（侧面特定位置）的公差精确到了微米级，使车削刀具刀尖位置的精度大幅提高。利用ATC所得到的车刀刀尖位置在高度上的误差实测值最大只有10μm，达到了非常高的精度。
    主要的工具制造商在复合加工机床上采用了这套系统，刀具接口实现通用化使制造商的选择范围变得更加宽泛。
    （2）HSK-T系统与国际标准化
    ICTM-HSK系统发布后，与日本国内外的制造商和用户进行了积极合作。2004年末，对由德国提出的国际标准的优劣进行了审议。
    为此，成立了ISO（ICTM-HSK）国内对策委员会（主办单位：社团法人日本工具机械工业会），并以“HSK-T（T是旋转的简称）”的名称于2005年1月向国际标准化组织（ISO）提出了ICTM-HSK系统的国际标准化提案。该国际标准经过6道程序和4次国际投票，才最终制定完成。
    无可否认，日本这次的标准提案有些突然。2005年1月，勉强通过了第1次国际投票，同年12月，工作组（ISO/TC29/WG33）在法兰克福召开会议，对技术内容进行审议。期间，虽然欧美代表提出了反对意见和其他提案，但由于对策资料准备充分，日本提出的提案最终作为标准草案得到采用。其后的第2次和第3次投票均顺利通过，2008年11月，HSK-T系统作为标准规定公诸于世（第4次投票省略）。
    在国际标准的制定过程中，各国的利害关系相互牵制，ISO大会、工作组、国际投票等都如同邀请参与奥林匹克比赛一样处于被动，而抢先得到德国和中国两大工具制造大国的支持也起到了作用。
    2008年秋，新的HSK-T委员会在欧洲设立，30多家各国制造商和企业组织参加了新的委员会，加速了该国际标准的普及速度。
    复合加工机床用刀具接口的发展动向
    （1）车削刀具接口
    车削刀具接口与直接安装不重磨刀片的块状刀具接口有很大不同，它是用于安装棱形杆（车刀杆）和圆形杆（钻头杆）的分体型刀具接口。
    对于广泛适用的外径及端面加工用刀具接口，机床主轴端的刀具突出部分逐渐变短，刚性也随之增强。复合加工机床的工具主轴每隔120°更换刀具，从而实现了工程集约化的旋转工具系统已经实现了商品化。
    利用复合加工机床的功能，使工具主轴与机床主轴同时旋转，从而进行车削加工的方案也被提出。由于可以连续使用圆刀片全周长上的切削刃，使高速高效切削超级耐热合金成为可能。此外，由于复合加工机床配置主轴的高自由度，因此要特别注意机床内部的相互干涉和碰撞。针对这种情况，刀具制造商和CAD/CAM开发企业共同参与开发了三维模型数据的模拟系统。另外，铣削工具系统在DXF数据中模拟旋转时，可能生成类似圆柱形状的模型，因此，车削刀具接口这类非对称形状需要有专用的三维数据，制造商的应对措施正在不断改进。
    （2）铣削刀具接口
    复合加工机床70%以上的加工都是铣削工序，因此，铣削刀具接口的选择非常重要。五轴加工中心所使用的刀具接口基本上都适用。
    在三维形状工件的加工中，球型切削刀具虽然比较有效，但在加工薄壁工件时，有可能因为切削背分力较大而产生颤振波纹。在复合加工机床上，可以将B轴倾斜，使切削力向轴向分散，从而使高效加工成为可能。
    在加工复杂形状和纵深部位时，为了避免与其他部位发生干涉，必须使用加长刀具。方法之一是在高刚性硬质合金刀杆上利用高精度螺纹安装连接刀头。在日本和欧洲的制造商中，螺纹接头的使用相当广泛，因此互换使用的可能性较大（虽然工具供应商大多会推荐自己的组合刀具）。此外，从根部至端部形成一定曲面而具有高刚性的加长型热装刀具也非常有效。与装有180°以上切削刃刀头的立铣刀相配合，使高附加值加工成为可能。
    在喷气发动机和燃气轮机相关零件的加工中，复合加工机床也得到重点使用。在这些加工中，除了采用上述超级耐热合金难加工材料的加工方法以外，还必须在加工过程中通过中空主轴向刀具切削刃供给冷却液。
    近来，能与刀具冷却液通道口相连接、具有供液回路的FMH端面铣削接口得到了迅速普及。与ICTM一样，这种接口标准也是由日本工具系统制造商和硬质合金刀具制造商对流量和强度进行分析后共同制定的（事实上已成为标准化的基准），并由两个以上制造商来推动其商品化进程。