技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)了刀具夾持的革命

山特維克可樂滿 Christer.Richt

20世紀(jì)八十年代以前，大多數(shù)機(jī)床都是手動(dòng)換刀，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。只有比較現(xiàn)代的加工中心，才能實(shí)現(xiàn)通過刀庫自動(dòng)換刀。拆卸大型附件、刀具和方桿刀具或者在機(jī)床上更換可轉(zhuǎn)位刀片，都需要耗費(fèi)很長的停機(jī)時(shí)間。采用小而輕的切削單元，并結(jié)合快換工具接口的系統(tǒng)以前聞所未聞，因?yàn)檫@種技術(shù)在當(dāng)時(shí)才剛剛起步。

這種技術(shù)直到有了模塊化工具系統(tǒng)以后，通過在切削刀具和機(jī)床夾緊單元?jiǎng)?chuàng)新采用先進(jìn)的接口才得以實(shí)現(xiàn)。采用刀具夾持創(chuàng)新技術(shù)，可以快速手動(dòng)換刀，現(xiàn)代的主軸接口可以用于自動(dòng)換刀，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了刀具系統(tǒng)的模塊化。

模塊化工具系統(tǒng)的出現(xiàn)是源于數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，特別是20世紀(jì)六七十年代，車床取得了長足發(fā)展。五十年代，美國開始研發(fā)數(shù)控技術(shù)，并應(yīng)用在加工中心和車床上。到了六十年代中期，美國境內(nèi)出售的機(jī)床中有15%是數(shù)控機(jī)床，此后數(shù)年得到飛速發(fā)展。當(dāng)時(shí)，歐洲和亞洲幾乎沒有生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，但是到1967年，出現(xiàn)了急劇向上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床開始迅猛發(fā)展。為了滿足人們更加充分利用生產(chǎn)設(shè)備的需要，人們開發(fā)出了生產(chǎn)率更高、更昂貴的機(jī)床，模塊化工具系統(tǒng)就在這大背景下應(yīng)運(yùn)而生。

中等規(guī)模加工車間的數(shù)控機(jī)床，平均實(shí)際切削時(shí)間只占到機(jī)床總體可用生產(chǎn)時(shí)間的8%。刀具安裝、換刀和刀具測(cè)量所花費(fèi)的時(shí)間占總可用時(shí)間的五分之一。人們很早就意識(shí)到了這一點(diǎn)，正因如此，改善機(jī)床利用率以及提高生產(chǎn)效率的潛在需求推升了數(shù)控機(jī)床的迅猛增長。

無論是為新工序的生產(chǎn)準(zhǔn)備還是更換新刀具，切削刃能否準(zhǔn)確定位都至關(guān)重要。只有在確定切削刃的精確坐標(biāo)后，才能開始進(jìn)行正確加工，否則不僅刀具的使用存在風(fēng)險(xiǎn)，加工出的零件尺寸也沒有保證。 因此，切削刀具的準(zhǔn)確定位對(duì)新機(jī)床而言顯得尤為重要。 當(dāng)時(shí)人們采用了幾種方式來應(yīng)對(duì)，因?yàn)檫@并不是一個(gè)新問題，在數(shù)控技術(shù)問世前，人們就已經(jīng)有針對(duì)車床和仿形車床高效換刀的需求了。

根據(jù)當(dāng)時(shí)的情況和對(duì)數(shù)控的需求，人們開發(fā)了一系列刀架，能夠夾持現(xiàn)成的方桿刀具并且可以在機(jī)床外預(yù)設(shè)刀具。刀架可安裝在機(jī)床刀板或轉(zhuǎn)塔上，按預(yù)定刀具位置定位。精度相對(duì)較準(zhǔn)確，并且可在安裝之后校對(duì)切削刃位置，或直接進(jìn)行粗加工。但是，這些刀架在精度方面受限較大，占用大量的機(jī)床空間，成本高、重量大。幾乎不能快速更換工具系統(tǒng)，更談不上效率。

七十年代的另一種解決方案是采用高質(zhì)量的工具系統(tǒng)，其中采用的方桿刀柄磨削到相當(dāng)高的精度，并與特別定制的刀座配合在機(jī)床上使用。如果刀具預(yù)先設(shè)置好，在裝配刀具或換刀時(shí)，就有比較高的精度。但是，由于存在大量不同類型的機(jī)床，因此有必要與所有機(jī)床制造廠一起，討論如何確定刀具在刀架和刀塔上的基準(zhǔn)點(diǎn)。另一種方式是在方刀桿上安裝可精確調(diào)節(jié)的精調(diào)機(jī)構(gòu)，用于徑向和軸向的微調(diào)。快換還是無法實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)時(shí)出現(xiàn)的另一個(gè)趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。早期的加工中心采用機(jī)械式抓刀臂，將刀具安裝在一致的錐柄上，刀具在主軸和刀具庫之間實(shí)現(xiàn)交換。 車床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的愿望，與實(shí)現(xiàn)加工靈活性的需要與日俱增。

到了八十年代，開發(fā)出了第一套真正意義上的模塊化工具系統(tǒng) —— 可互換、最小化切削刀具數(shù)量，并且推出了機(jī)床接口端的夾緊機(jī)構(gòu)。由于所有的組件能單獨(dú)拆除和聯(lián)接，所以通過接口可實(shí)現(xiàn)多種不同的功能。

七十年代末期，經(jīng)過多年的研發(fā)，山特維克可樂滿推出了第一個(gè)模塊化工具系統(tǒng)方案： 嵌入式工具系統(tǒng)（Block Tool System）。該工具系統(tǒng)創(chuàng)新采用獨(dú)特的新型接口作為切削單元和夾緊機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)接。 該系統(tǒng)最關(guān)鍵的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)在于大大提高了精度、穩(wěn)定性和快速換刀的能力。將切削單元裝入夾緊單元內(nèi)，通過中心拉桿逆著法蘭面拉緊。這種設(shè)計(jì)使得在徑向、軸向和切線方向的支撐最大化，與類似的整體刀柄相比，刀具夾持更加穩(wěn)定牢固。

接口的制造保證了徑向重復(fù)精度為±0.002 mm，軸向和中心高方向的重復(fù)精度為±0.005 mm，有兩種方式可達(dá)到較高的重復(fù)精度： 一種方式是預(yù)先測(cè)量切削刃位置，當(dāng)切削刀具裝入機(jī)床時(shí)，在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中輸入刀具補(bǔ)償量。 另一種方式是在裝入機(jī)床前，通過預(yù)先設(shè)置的切削刀具，達(dá)到想要的切削刃位置。 總之，在更換刀具時(shí)，接口可保證刀具在機(jī)床上的準(zhǔn)確定位。

該工具系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)在于，與傳統(tǒng)方式相比，裝刀時(shí)間縮短一半，刀具更換時(shí)間減少為三分之一，而且對(duì)刀測(cè)量時(shí)無需停機(jī)。當(dāng)然，由于刀具裝夾方便快捷，因此加工車間完全可重新規(guī)劃加工計(jì)劃，例如減少批次零件數(shù)量、加工更多種類零件的批次。這些都是因?yàn)榈毒呖鞊Q所帶來的益處。對(duì)于大批量生產(chǎn)的作用在于減少停機(jī)時(shí)間，這樣一來，能為車間額外增加成千上萬小時(shí)用于有效切削。

嵌入式夾緊單元的產(chǎn)品分類可適用于多種機(jī)床類型，并在一個(gè)加工車間內(nèi)的部分機(jī)床實(shí)現(xiàn)快換。通過外驅(qū)動(dòng)執(zhí)行夾緊/松開動(dòng)作的半自動(dòng)換刀，以及通過刀具庫實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)換刀。嵌入式工具系統(tǒng)是刀具更換的一次技術(shù)革命，贏得了業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可，現(xiàn)在仍有部分應(yīng)用沿用至今。但是，該系統(tǒng)有一個(gè)缺點(diǎn)——僅局限于在車床上使用的非旋轉(zhuǎn)刀具。有缺陷就有發(fā)展，這一點(diǎn)也加快了開發(fā)模塊化工具系統(tǒng)的下一階段工作，其中包括了旋轉(zhuǎn)刀具。

山特維克可樂滿于1990年推出了全新的模塊化工具系統(tǒng)，涵蓋了所有類型的刀具。該系統(tǒng)是一種全新的開創(chuàng)性理念，得到更加廣泛的認(rèn)可，并且成為一種ISO標(biāo)準(zhǔn)。 Coromant Capto是一個(gè)拉丁語單詞，有“抓取、捕捉”的意思。

模塊化工具系統(tǒng)對(duì)于非旋轉(zhuǎn)刀具而言非常重要，原因是其實(shí)現(xiàn)了快換。那么，它對(duì)于旋轉(zhuǎn)刀具而言又有哪些優(yōu)勢(shì)呢？

特別是對(duì)加工中心而言，模塊化工具系統(tǒng)提供了更佳的靈活性，通用性強(qiáng)，根據(jù)工序需求提供優(yōu)化的刀具長度，并且采用集成式刀柄，進(jìn)一步優(yōu)化了性能，可以配合使用多種直徑的接柄以及減振接柄。用于各種加工應(yīng)用以及各種類型機(jī)床，這可減少刀具庫存和降低成本。一套刀具系統(tǒng)即可通用于所有的機(jī)床類型，當(dāng)然也能在機(jī)床上實(shí)現(xiàn)快速換刀。另外，也針對(duì)多任務(wù)機(jī)床、銑車機(jī)床、車削中心和立式車床開發(fā)了多種應(yīng)用。

如今，Coromant Capto的產(chǎn)品系列和應(yīng)用場(chǎng)合非常廣泛。接口尺寸范圍從 C3至C10，大多數(shù)加工應(yīng)用采用模塊化系統(tǒng)，效率非常高?，F(xiàn)在，對(duì)于在車削中心采用快換系統(tǒng)的需求與日俱增，包括旋轉(zhuǎn)刀具應(yīng)用。我們也提供針對(duì)機(jī)床制造商刀塔選項(xiàng)的刀座配置，從而實(shí)現(xiàn)在車削中心機(jī)床上的快換系統(tǒng)。

Coromant Capto接口類似一個(gè)三棱錐面，主要特點(diǎn)是整個(gè)周長上的直徑相同。由于雙面接觸并采用過盈配合，法蘭端面經(jīng)過磨削以及磨削的三棱錐面使其具有良好的穩(wěn)定性。三棱錐面接口采用預(yù)緊方式，進(jìn)行了高精度磨削。四瓣式的抓刀凹槽用于自動(dòng)換刀以及當(dāng)?shù)毒咝枰窍蚨ㄎ粫r(shí)所需的定位槽，例如一些車削應(yīng)用。切削液從內(nèi)部供應(yīng)，通過主軸直達(dá)切削刃口，采用高壓冷卻加工也是一種選擇，同時(shí)，采用Coromant Capto接口的主軸用于旋轉(zhuǎn)刀具也是一個(gè)非常重要的特點(diǎn)。

作為一種真正意義上的模塊化工具系統(tǒng)，Coromant Capto創(chuàng)新技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)之一是高剛性，它具有極佳的抗彎抗性，可靠的轉(zhuǎn)矩傳輸以及高精度。整個(gè)接口部分無任何松動(dòng)組件，切削單元自定心。三棱錐和法蘭端面具有很大的接觸表面面積，因此壓力分布均勻、換刀便捷、定位精度高、跳動(dòng)量小、安全性高以及良好的刀具設(shè)計(jì)平衡。

刀具夾持領(lǐng)域的最新技術(shù)是在模塊化工具系統(tǒng)內(nèi)再集成模塊化。這取決于刀具裝配的尺寸和機(jī)床主軸，以及新型的接口—— 例如可換頭接口和鋸齒型鎖緊（SL）切削頭，山特維克可樂滿推出了兩種創(chuàng)新的接口，并作為Coromant Capto接口的補(bǔ)充。這是模塊化工具系統(tǒng)、主軸接口和快速手動(dòng)換刀創(chuàng)新理念的再次創(chuàng)新。

Coromant Capto創(chuàng)新技術(shù)具有以下三點(diǎn)主要意義：它是在車床上快速更換切削單元的基礎(chǔ)；是在機(jī)床主軸上內(nèi)置旋轉(zhuǎn)接口的依據(jù)；也是進(jìn)行刀具優(yōu)化以適合各種應(yīng)用場(chǎng)合的絕佳方法。