高速加工是集材料科学、信息科学、控制理论和制造科学为一体的综合高新加工技术。作为高速加工关键技术之一,高速加工工具系统直接影响和制约着高速加工的质量和效率。因此,其结构特性、静动态性能、动平衡稳定性受到国内外学者的广泛关注。在高速加工工具系统中,德国开发的HSK工具系统以其突出的结构性能,已成为新时期最具有应用价值和发展前景的新型工具系统,对其开展基础特性研究有着重要的理论和实践意义。本研究在对国内外新型工具系统开发和应用进行概述和分析的基础上,深入分析了HSK工具系统的结构特征,指出了其优越性能的结构基础,开展了HSK工具系统关键尺寸的精度设计研究,指出适当放大其过盈配合范围并不会显著影响HSK工具系统的主要性能。通过选取目前应用最为广泛的传统7/24连接系统和最具有发展前景的HSK连接系统,采用有限元数值模拟方法,研究了在高速状态下,离心力成为主要载荷的情况下典型刀具连接系统的应力和应变情况,分析了由于刀柄和主轴膨胀变形的不同,而对于刀具连接系统的定位精度和连接刚度产生的影响。结果表明,HSK连接系统比7/24连接更适合于高速加工。建立了HSK刀柄在静态承载时的力学刚度模型,通过理论分析和实验分析,得出了影响HSK工具系统定位精度和静态刚度的主要因素。指出了适当提高轴向拉力和给予一定的过盈量可以提高连接面间的接触应力,进而提高连接的可靠性。最后,系统地分析了在HSK工具系统的设计、制造、装配、使用等一系列过程中,各种不平衡因素产生的原因。探讨了高速加工工具系统动平衡精度等级选用的各种方法,提出了设计高速加工工具系统时,其平衡精度等级合理确定的原则。提出了工具系统各种平衡方法的特点和性能。