技術創新推動了刀具夾持的革命

山特維克可樂滿 Christer.Richt

20世紀八十年代以前，大多數機床都是手動換刀，費時又費力。只有比較現代的加工中心，才能實現通過刀庫自動換刀。拆卸大型附件、刀具和方桿刀具或者在機床上更換可轉位刀片，都需要耗費很長的停機時間。采用小而輕的切削單元，并結合快換工具接口的系統以前聞所未聞，因為這種技術在當時才剛剛起步。

這種技術直到有了模塊化工具系統以后，通過在切削刀具和機床夾緊單元創新采用先進的接口才得以實現。采用刀具夾持創新技術，可以快速手動換刀，現代的主軸接口可以用于自動換刀，同時，實現了刀具系統的模塊化。

模塊化工具系統的出現是源于數控機床的發展，特別是20世紀六七十年代，車床取得了長足發展。五十年代，美國開始研發數控技術，并應用在加工中心和車床上。到了六十年代中期，美國境內出售的機床中有15%是數控機床，此后數年得到飛速發展。當時，歐洲和亞洲幾乎沒有生產數控機床，但是到1967年，出現了急劇向上的轉折點，數控機床開始迅猛發展。為了滿足人們更加充分利用生產設備的需要，人們開發出了生產率更高、更昂貴的機床，模塊化工具系統就在這大背景下應運而生。

中等規模加工車間的數控機床，平均實際切削時間只占到機床總體可用生產時間的8%。刀具安裝、換刀和刀具測量所花費的時間占總可用時間的五分之一。人們很早就意識到了這一點，正因如此，改善機床利用率以及提高生產效率的潛在需求推升了數控機床的迅猛增長。

無論是為新工序的生產準備還是更換新刀具，切削刃能否準確定位都至關重要。只有在確定切削刃的精確坐標后，才能開始進行正確加工，否則不僅刀具的使用存在風險，加工出的零件尺寸也沒有保證。 因此，切削刀具的準確定位對新機床而言顯得尤為重要。 當時人們采用了幾種方式來應對，因為這并不是一個新問題，在數控技術問世前，人們就已經有針對車床和仿形車床高效換刀的需求了。

根據當時的情況和對數控的需求，人們開發了一系列刀架，能夠夾持現成的方桿刀具并且可以在機床外預設刀具。刀架可安裝在機床刀板或轉塔上，按預定刀具位置定位。精度相對較準確，并且可在安裝之后校對切削刃位置，或直接進行粗加工。但是，這些刀架在精度方面受限較大，占用大量的機床空間，成本高、重量大。幾乎不能快速更換工具系統，更談不上效率。

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

當時出現的另一個趨勢是實現自動化。早期的加工中心采用機械式抓刀臂，將刀具安裝在一致的錐柄上，刀具在主軸和刀具庫之間實現交換。 車床實現自動化的愿望，與實現加工靈活性的需要與日俱增。

到了八十年代，開發出了第一套真正意義上的模塊化工具系統 —— 可互換、最小化切削刀具數量，并且推出了機床接口端的夾緊機構。由于所有的組件能單獨拆除和聯接，所以通過接口可實現多種不同的功能。

七十年代末期，經過多年的研發，山特維克可樂滿推出了第一個模塊化工具系統方案： 嵌入式工具系統（Block Tool System）。該工具系統創新采用獨特的新型接口作為切削單元和夾緊機構之間的聯接。 該系統最關鍵的特點和優勢在于大大提高了精度、穩定性和快速換刀的能力。將切削單元裝入夾緊單元內，通過中心拉桿逆著法蘭面拉緊。這種設計使得在徑向、軸向和切線方向的支撐最大化，與類似的整體刀柄相比，刀具夾持更加穩定牢固。

接口的制造保證了徑向重復精度為±0.002 mm，軸向和中心高方向的重復精度為±0.005 mm，有兩種方式可達到較高的重復精度： 一種方式是預先測量切削刃位置，當切削刀具裝入機床時，在機床數控系統中輸入刀具補償量。 另一種方式是在裝入機床前，通過預先設置的切削刀具，達到想要的切削刃位置。 總之，在更換刀具時，接口可保證刀具在機床上的準確定位。

該工具系統的最大優勢在于，與傳統方式相比，裝刀時間縮短一半，刀具更換時間減少為三分之一，而且對刀測量時無需停機。當然，由于刀具裝夾方便快捷，因此加工車間完全可重新規劃加工計劃，例如減少批次零件數量、加工更多種類零件的批次。這些都是因為刀具快換所帶來的益處。對于大批量生產的作用在于減少停機時間，這樣一來，能為車間額外增加成千上萬小時用于有效切削。

嵌入式夾緊單元的產品分類可適用于多種機床類型，并在一個加工車間內的部分機床實現快換。通過外驅動執行夾緊/松開動作的半自動換刀，以及通過刀具庫實現全自動換刀。嵌入式工具系統是刀具更換的一次技術革命，贏得了業內廣泛認可，現在仍有部分應用沿用至今。但是，該系統有一個缺點——僅局限于在車床上使用的非旋轉刀具。有缺陷就有發展，這一點也加快了開發模塊化工具系統的下一階段工作，其中包括了旋轉刀具。

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

模塊化工具系統對于非旋轉刀具而言非常重要，原因是其實現了快換。那么，它對于旋轉刀具而言又有哪些優勢呢？

特別是對加工中心而言，模塊化工具系統提供了更佳的靈活性，通用性強，根據工序需求提供優化的刀具長度，并且采用集成式刀柄，進一步優化了性能，可以配合使用多種直徑的接柄以及減振接柄。用于各種加工應用以及各種類型機床，這可減少刀具庫存和降低成本。一套刀具系統即可通用于所有的機床類型，當然也能在機床上實現快速換刀。另外，也針對多任務機床、銑車機床、車削中心和立式車床開發了多種應用。

如今，Coromant Capto的產品系列和應用場合非常廣泛。接口尺寸范圍從 C3至C10，大多數加工應用采用模塊化系統，效率非常高。現在，對于在車削中心采用快換系統的需求與日俱增，包括旋轉刀具應用。我們也提供針對機床制造商刀塔選項的刀座配置，從而實現在車削中心機床上的快換系統。

Coromant Capto接口類似一個三棱錐面，主要特點是整個周長上的直徑相同。由于雙面接觸并采用過盈配合，法蘭端面經過磨削以及磨削的三棱錐面使其具有良好的穩定性。三棱錐面接口采用預緊方式，進行了高精度磨削。四瓣式的抓刀凹槽用于自動換刀以及當刀具需要角向定位時所需的定位槽，例如一些車削應用。切削液從內部供應，通過主軸直達切削刃口，采用高壓冷卻加工也是一種選擇，同時，采用Coromant Capto接口的主軸用于旋轉刀具也是一個非常重要的特點。

作為一種真正意義上的模塊化工具系統，Coromant Capto創新技術的主要優勢之一是高剛性，它具有極佳的抗彎抗性，可靠的轉矩傳輸以及高精度。整個接口部分無任何松動組件，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、跳動量小、安全性高以及良好的刀具設計平衡。

刀具夾持領域的最新技術是在模塊化工具系統內再集成模塊化。這取決于刀具裝配的尺寸和機床主軸，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新的接口，并作為Coromant Capto接口的補充。這是模塊化工具系統、主軸接口和快速手動換刀創新理念的再次創新。

Coromant Capto創新技術具有以下三點主要意義：它是在車床上快速更換切削單元的基礎；是在機床主軸上內置旋轉接口的依據；也是進行刀具優化以適合各種應用場合的絕佳方法。