技术创新推动了刀具夹持的革命

山特维克可乐满 Christer.Richt

20世纪八十年代以前，大多数机床都是手动换刀，费时又费力。只有比较现代的加工中心，才能实现通过刀库自动换刀。拆卸大型附件、刀具和方杆刀具或者在机床上更换可转位刀片，都需要耗费很长的停机时间。采用小而轻的切削单元，并结合快换工具接口的系统以前闻所未闻，因为这种技术在当时才刚刚起步。

这种技术直到有了模块化工具系统以后，通过在切削刀具和机床夹紧单元创新采用先进的接口才得以实现。采用刀具夹持创新技术，可以快速手动换刀，现代的主轴接口可以用于自动换刀，同时，实现了刀具系统的模块化。

模块化工具系统的出现是源于数控机床的发展，特别是20世纪六七十年代，车床取得了长足发展。五十年代，美国开始研发数控技术，并应用在加工中心和车床上。到了六十年代中期，美国境内出售的机床中有15%是数控机床，此后数年得到飞速发展。当时，欧洲和亚洲几乎没有生产数控机床，但是到1967年，出现了急剧向上的转折点，数控机床开始迅猛发展。为了满足人们更加充分利用生产设备的需要，人们开发出了生产率更高、更昂贵的机床，模块化工具系统就在这大背景下应运而生。

中等规模加工车间的数控机床，平均实际切削时间只占到机床总体可用生产时间的8%。刀具安装、换刀和刀具测量所花费的时间占总可用时间的五分之一。人们很早就意识到了这一点，正因如此，改善机床利用率以及提高生产效率的潜在需求推升了数控机床的迅猛增长。

无论是为新工序的生产准备还是更换新刀具，切削刃能否准确定位都至关重要。只有在确定切削刃的精确坐标后，才能开始进行正确加工，否则不仅刀具的使用存在风险，加工出的零件尺寸也没有保证。 因此，切削刀具的准确定位对新机床而言显得尤为重要。 当时人们采用了几种方式来应对，因为这并不是一个新问题，在数控技术问世前，人们就已经有针对车床和仿形车床高效换刀的需求了。

根据当时的情况和对数控的需求，人们开发了一系列刀架，能够夹持现成的方杆刀具并且可以在机床外预设刀具。刀架可安装在机床刀板或转塔上，按预定刀具位置定位。精度相对较准确，并且可在安装之后校对切削刃位置，或直接进行粗加工。但是，这些刀架在精度方面受限较大，占用大量的机床空间，成本高、重量大。几乎不能快速更换工具系统，更谈不上效率。

七十年代的另一种解决方案是采用高质量的工具系统，其中采用的方杆刀柄磨削到相当高的精度，并与特别定制的刀座配合在机床上使用。如果刀具预先设置好，在装配刀具或换刀时，就有比较高的精度。但是，由于存在大量不同类型的机床，因此有必要与所有机床制造厂一起，讨论如何确定刀具在刀架和刀塔上的基准点。另一种方式是在方刀杆上安装可精确调节的精调机构，用于径向和轴向的微调。快换还是无法实现。

当时出现的另一个趋势是实现自动化。早期的加工中心采用机械式抓刀臂，将刀具安装在一致的锥柄上，刀具在主轴和刀具库之间实现交换。 车床实现自动化的愿望，与实现加工灵活性的需要与日俱增。

到了八十年代，开发出了第一套真正意义上的模块化工具系统 —— 可互换、最小化切削刀具数量，并且推出了机床接口端的夹紧机构。由于所有的组件能单独拆除和联接，所以通过接口可实现多种不同的功能。

七十年代末期，经过多年的研发，山特维克可乐满推出了第一个模块化工具系统方案： 嵌入式工具系统（Block Tool System）。该工具系统创新采用独特的新型接口作为切削单元和夹紧机构之间的联接。 该系统最关键的特点和优势在于大大提高了精度、稳定性和快速换刀的能力。将切削单元装入夹紧单元内，通过中心拉杆逆着法兰面拉紧。这种设计使得在径向、轴向和切线方向的支撑最大化，与类似的整体刀柄相比，刀具夹持更加稳定牢固。

接口的制造保证了径向重复精度为±0.002 mm，轴向和中心高方向的重复精度为±0.005 mm，有两种方式可达到较高的重复精度： 一种方式是预先测量切削刃位置，当切削刀具装入机床时，在机床数控系统中输入刀具补偿量。 另一种方式是在装入机床前，通过预先设置的切削刀具，达到想要的切削刃位置。 总之，在更换刀具时，接口可保证刀具在机床上的准确定位。

该工具系统的最大优势在于，与传统方式相比，装刀时间缩短一半，刀具更换时间减少为三分之一，而且对刀测量时无需停机。当然，由于刀具装夹方便快捷，因此加工车间完全可重新规划加工计划，例如减少批次零件数量、加工更多种类零件的批次。这些都是因为刀具快换所带来的益处。对于大批量生产的作用在于减少停机时间，这样一来，能为车间额外增加成千上万小时用于有效切削。

嵌入式夹紧单元的产品分类可适用于多种机床类型，并在一个加工车间内的部分机床实现快换。通过外驱动执行夹紧/松开动作的半自动换刀，以及通过刀具库实现全自动换刀。嵌入式工具系统是刀具更换的一次技术革命，赢得了业内广泛认可，现在仍有部分应用沿用至今。但是，该系统有一个缺点——仅局限于在车床上使用的非旋转刀具。有缺陷就有发展，这一点也加快了开发模块化工具系统的下一阶段工作，其中包括了旋转刀具。

山特维克可乐满于1990年推出了全新的模块化工具系统，涵盖了所有类型的刀具。该系统是一种全新的开创性理念，得到更加广泛的认可，并且成为一种ISO标准。 Coromant Capto是一个拉丁语单词，有“抓取、捕捉”的意思。

模块化工具系统对于非旋转刀具而言非常重要，原因是其实现了快换。那么，它对于旋转刀具而言又有哪些优势呢？

特别是对加工中心而言，模块化工具系统提供了更佳的灵活性，通用性强，根据工序需求提供优化的刀具长度，并且采用集成式刀柄，进一步优化了性能，可以配合使用多种直径的接柄以及减振接柄。用于各种加工应用以及各种类型机床，这可减少刀具库存和降低成本。一套刀具系统即可通用于所有的机床类型，当然也能在机床上实现快速换刀。另外，也针对多任务机床、铣车机床、车削中心和立式车床开发了多种应用。

如今，Coromant Capto的产品系列和应用场合非常广泛。接口尺寸范围从 C3至C10，大多数加工应用采用模块化系统，效率非常高。现在，对于在车削中心采用快换系统的需求与日俱增，包括旋转刀具应用。我们也提供针对机床制造商刀塔选项的刀座配置，从而实现在车削中心机床上的快换系统。

Coromant Capto接口类似一个三棱锥面，主要特点是整个周长上的直径相同。由于双面接触并采用过盈配合，法兰端面经过磨削以及磨削的三棱锥面使其具有良好的稳定性。三棱锥面接口采用预紧方式，进行了高精度磨削。四瓣式的抓刀凹槽用于自动换刀以及当刀具需要角向定位时所需的定位槽，例如一些车削应用。切削液从内部供应，通过主轴直达切削刃口，采用高压冷却加工也是一种选择，同时，采用Coromant Capto接口的主轴用于旋转刀具也是一个非常重要的特点。

作为一种真正意义上的模块化工具系统，Coromant Capto创新技术的主要优势之一是高刚性，它具有极佳的抗弯抗性，可靠的转矩传输以及高精度。整个接口部分无任何松动组件，切削单元自定心。三棱锥和法兰端面具有很大的接触表面面积，因此压力分布均匀、换刀便捷、定位精度高、跳动量小、安全性高以及良好的刀具设计平衡。

刀具夹持领域的最新技术是在模块化工具系统内再集成模块化。这取决于刀具装配的尺寸和机床主轴，以及新型的接口—— 例如可换头接口和锯齿型锁紧（SL）切削头，山特维克可乐满推出了两种创新的接口，并作为Coromant Capto接口的补充。这是模块化工具系统、主轴接口和快速手动换刀创新理念的再次创新。

Coromant Capto创新技术具有以下三点主要意义：它是在车床上快速更换切削单元的基础；是在机床主轴上内置旋转接口的依据；也是进行刀具优化以适合各种应用场合的绝佳方法。