由于刀片材料與涂層技術(shù)的發(fā)展，可承受的切削速度不斷提高，對鋼來說切削速度可達250m/min，甚至達到350m/min；對鋁及鋁合金的切削速度可達1,200m/min，甚至1,800m/min（見表1）。機床的主軸轉(zhuǎn)速也在不斷提高，由4,000r/min提高到6,000r/min、8,000r/min，特別是近年來主軸的開發(fā)，主軸轉(zhuǎn)速可達24,000r/min或更高，這樣，對實現(xiàn)高速及超高速切削成為可能。

在主軸設(shè)計方面，主軸轉(zhuǎn)速與DN值（主軸軸徑X轉(zhuǎn)速），一般可達500,000～1,500,000左右，以ISO30、ISO40及ISO50的主軸為例，目前可達到的水平見表2。

 表2 
 DN值  主軸軸徑d 
mm  主軸軸孔ISO  最高轉(zhuǎn)速n 
r/min
 
500,000  45  30  11,111
 
1,000,000  22,222
 
*l,500,000  33,333
 
500,000  60  40  8,333
 
1,000,000  16,667
 
*l,500,000  25,000
 
500,000  80  50  6,250
 
*l,000,000  12,500
 
 
注：帶* 者為該規(guī)格的極限轉(zhuǎn)速
 

高轉(zhuǎn)速每齒較小進給從而達到較大的金屬切削量，比低轉(zhuǎn)速每齒大進給的生產(chǎn)效率高70％～100％，而且由于切削扭矩的減少，大大降低工件的切削變形。對機床來說是向著高速化和輕型化發(fā)展，這是目前金屬切削的一個重要的發(fā)展趨勢，一般轉(zhuǎn)速超過 8,000r/min被認為是高速主軸。

由于主軸轉(zhuǎn)速不斷提高，對刀柄與刀具系統(tǒng)的平衡問題變得越來越重要，未經(jīng)過平衡的刀柄與刀具系統(tǒng)轉(zhuǎn)速越高離心力越大。以50號刀柄為例，不對稱性一般為250gmm，如果在15,000r/min的速度下旋轉(zhuǎn)，將產(chǎn)生635N的徑向力，即使經(jīng)過精細的動平衡到1gmm，在15,000r/min速度下旋轉(zhuǎn)，仍會產(chǎn)生2N的徑向力。這種徑向力達到一定程度時將使刀具系統(tǒng)產(chǎn)生振動，其結(jié)果是：被加工表面質(zhì)量下降，刀具壽命縮短，甚至影響到主軸軸承的加速磨損，嚴重者將會使刀具和主軸損壞。

2.不平衡的定義

不平衡是一個旋轉(zhuǎn)體的質(zhì)量軸線（慣量軸線）與實際的旋轉(zhuǎn)軸線不重合。其單位為不平衡的質(zhì)量與該質(zhì)量中心至實際旋轉(zhuǎn)軸線的距離的乘積，以gmm計量。不平衡有3種表現(xiàn)形式。

靜力不平衡（單平面） 表現(xiàn)在一個旋轉(zhuǎn)體的質(zhì)量軸線與旋轉(zhuǎn)軸線不重合，但平行于旋轉(zhuǎn)軸線，因此不平衡將發(fā)生在單平面上。不平衡所產(chǎn)生的離心力作用于兩端支承上是相等的、同向的（圖1）。

偶力不平衡 表現(xiàn)在一個旋轉(zhuǎn)體的質(zhì)量軸線與旋轉(zhuǎn)軸線不重合

，但相交于旋轉(zhuǎn)體重心，不平衡所產(chǎn)生的離心力作用于兩端支承是相等而180°反向的（圖2）。

動力不平衡 （雙平面）表現(xiàn)在一個旋轉(zhuǎn)體的質(zhì)量軸線與旋轉(zhuǎn)軸線不重合，而且既不平行也不相交，因此不平衡將發(fā)生在兩個平面上，可以認為動力不平衡是靜力不平衡和偶力不平衡的組合，不平衡所產(chǎn)生的離心力作用于兩端支承，既不相等且向量角度也不相同（圖3）。

圖1 
圖2 
圖3

3．解決不平衡的方法
機床用的刀具系統(tǒng)是通過錐柄與機床主軸由卡爪自動拉緊，一般短刀柄組成的短刀具系統(tǒng)可視為靜力單平面不平衡，長刀柄組成的長刀具系統(tǒng)肯定是動力雙平面不平衡（圖4）。
特別是精鏜刀，由于鏜刀桿及滑塊的偏移更是動力雙平面不平衡。

(a) 
(b) 
 
圖4

(a) 

(b) 
圖5

對于短刀柄來說，國外的一些廠家，采用在刀柄的某個方向與部位銑去一些金屬以達到刀柄本身的靜力單平面平衡，可以將普通刀柄的不平衡值從250gmm下降至50gmm甚至更低，這在500r/min以下是可以的，但加上刀具以后或在更高轉(zhuǎn)速的情況下，顯然不夠了。因此國外的一些廠家在刀柄上增加了兩個偏心環(huán)或平衡塊，進行動平衡，可以調(diào)到5gmm或3gmm。意大利D'ANDREA公司利用平衡環(huán)上的兩個平衡塊，通過小型刀具動平衡儀，根據(jù)軟件所指示的數(shù)據(jù)，可以迅速地調(diào)到1gmm，其結(jié)構(gòu)見圖5a，圖5b為調(diào)整原理，T2及T3為平衡塊的離心力，C為T2及T3的合力，可抵消刀具系統(tǒng)的離心力U。

上面談到的是刀柄式刀具系統(tǒng)本身由于不對稱或質(zhì)量分布不均所產(chǎn)生的不平衡，可以采用靜平衡或動平衡的辦法達到要求的平衡效果，但主軸與刀柄是錐面接觸，其公差帶將直接影響刀具系統(tǒng)質(zhì)量軸線的偏移，將擴大刀具系統(tǒng)的不平衡值或者使之處于不穩(wěn)定狀態(tài)（圖6）。因此，必須提高錐度精度，一般廠目前仍使用AT5標準，即錐度公差為5μm，而D'ANDREA公司已采用AT3標準，即3μm。這將大大提高刀具系統(tǒng)與主軸的安裝精度及穩(wěn)定性，但在高速旋轉(zhuǎn)下，這微小的偏差也會因離心力的作用而擴大化，加上主軸本身的變形，常規(guī)的ISO7388錐柄已經(jīng)不能滿足高速或超高速的需要，一般上限為8,000r/min，最大不應(yīng)超過10,000r/min。