刀具夹头与换刀效率

    在当今要求严苛的制造业环境中，快速更换和调整刀具是提高切削加工效率的重要方法之一。通过加快从刀具夹头上换刀的速度，加工车间可以最大限度地缩短停机时间。

    侧面锁紧（side-lock）式刀具夹头是一种低端刀具夹头，通常用于夹持立铣刀。此类刀具夹头利用一个或两个紧固螺钉，在刀具柄部的侧平面上压紧刀具，实现其稳固夹持。在所有类型的刀具夹头中，侧面锁紧式夹头的夹持精度最低，并会产生较大的径跳误差。

    雄克公司（Schunk Inc.）产品经理Jeff Keith说，“从精度上看，侧面锁紧夹持技术是一种相当陈旧的技术，其夹持精度和重复性不高。由于切削负荷分布不均匀，因此会缩短刀具寿命。”

    尽管如此，侧面锁紧式刀具夹头仍然很常用。Keith解释说，“它主要用于粗加工，以及对加工精度要求不太高的场合。它是一种成熟技术，因此，典型的加工车间都有一个装满这种夹头的工具柜。”

    侧面锁紧式夹头具有很好的快速换刀性能，只需拧松螺钉，更换刀具，再拧紧螺钉，不到一分钟就能完成换刀。快速换刀的另一个好处是，换刀时可将刀具夹头留在机床主轴上，无需取下。

    弹簧夹头是一种中端刀具夹头。此类夹头由一个夹头体、一个插入夹头体中的夹筒（通常由弹簧钢制成）和一个旋入夹筒的螺母构成。当旋紧螺母时，夹筒抱紧刀具柄部，并对其施加强大的夹紧力。

    Haimer美国公司总裁Brendt Holden说，“弹簧夹头换刀时，必须先松开螺母，取出夹筒，将其擦干净后再套上螺母，放入新的刀具，然后将该组合体插回夹头中，并旋紧螺母。因此，与侧面锁紧式夹头相比，弹簧夹头所需的换刀时间稍长一些，但它的夹持精度更高。不过，你必须仔细地将各个部件正确组装起来。如果你只是随随便便将它们很快拼凑到一起，就无法保证其一致性。”

    在换刀时，弹簧夹头也可以留在主轴上不必取下。此外，通过更换夹筒，一个弹簧夹头可以夹持不同尺寸的刀柄。而侧面锁紧式夹头则需要为每一种刀柄尺寸配备专用夹头。

    对于所有刀具夹头而言，虽然定期清洁刀柄和配合孔至关重要，但通常只需用毛巾快速擦拭一下，或用车间的压缩空气吹一下即可。而使用弹簧夹头时，每次换刀后都应该彻底进行清洁，需要花费更长的时间。Holden说，“由于弹簧夹头的零部件较多，细小的切屑很容易进入夹筒的沟槽中，或卡在夹筒与螺母之间，因此在换刀时需要将夹头拆开，仔细进行清洁。”

    Briney工具系统公司的销售工程师Justin London指出，还应该经常检查夹筒的磨损情况，“应立即更换已磨损的夹筒，因为夹筒磨损会降低夹持精度，并影响其夹持能力。制造夹筒的材料通常比制造夹头的材料软，因此磨损得更快。”

    液压夹紧式刀具夹头是一种高端刀具夹头。在此类夹头的内部，有一个装有液压油的腔室。这种夹头通过一个螺钉来夹紧和松开刀具。当拧紧螺钉时，它推动一个活塞和密封组件，挤压腔室内的液压油，使其精确地夹紧刀具。

    Keith说，“同样，你只需拧松或拧紧一个螺钉，就能松开或夹紧刀具，但这种夹头的精度非常高。它有很好的减振性，可以获得更好的加工表面光洁度和刀具寿命。与侧面锁紧夹头或弹簧夹头相比，液压夹头的价格更昂贵，但在所有加工中都具有更好的夹紧性能。”

    换刀时，液压夹头也可以留在主轴上无需取下。此外，为了夹持直径较小的刀柄，可以采用异径连接套。

    还有其他一些高精度刀具夹头可供选择，但这些夹头需要的换刀时间较长，因为换刀时需要使用辅助设备，此外，必须将夹头从主轴上取下。这些刀具夹头的价格也更为昂贵。

    使用热装式刀具夹头时，通过一个专用加热装置使夹头扩大，从而可以取出用过的刀具，并插入新刀具。夹头冷却时均匀收缩，可将刀柄牢固夹紧。热装夹持技术能够提高组装刀具的刚性和径跳精度。不过，该技术需要为每一种刀柄尺寸都配备专用夹头。

    T-Tool美国公司董事总经理Marc Wijtenburg指出，“这些类型的刀具夹头往往具有更高的夹持精度，因为不使用螺钉或夹簧，不存在变数（如螺钉或螺母是否被正确拧紧）。只要一个系统中有多个组件，就会增大出错的几率。”

    与侧面锁紧夹头或弹簧夹头相比，热装刀具夹头换刀需要的时间更长。Keith说，“你必须将夹头从机床主轴上取下来，把它拿到装刀机上，等待它加热、换刀和冷却，然后将其再装回主轴上。”通常，一台高端装刀机的加热时间不到1分钟，冷却时间不到3分钟，因此，装刀过程需要4－5分钟。

    Holden说，Haimer公司的新一代装刀机可在5秒钟内加热一把刀具，并在30秒钟内将其冷却。“我们的装刀机采用一个三工位转盘，你可以先对第一个夹头加热装刀，当它开始冷却时，就可以转动转盘，对第二个夹头进行操作，以此类推。当你装好第三个夹头时，第一个夹头已经冷却完毕。”

    雄克公司的Tribos多边形夹持系统是另一种需要辅助设备的刀具夹头。这种夹头的孔在自然状态下呈多边形。将该夹头置于液压装置中加压时，多边形孔就被挤压成圆形孔，从而可以更换刀具。当压力消除时，孔又弹回其原来的多边形，并将刀具夹紧。在20秒钟之内可以完成换刀过程——如果你能以最快速度加压、换刀并将其从液压装置中取出的话。与液压夹头一样，Tribos夹头也可以采用异径连接套，以适应多种不同的刀柄尺寸。

    Rego-Fix公司的powRgrip夹持系统也是一种需要辅助设备的刀具夹头。这种夹持系统由夹头体、专用夹筒和用于将夹筒插入夹头中的液压装置构成。Rego-Fix刀具公司产品工程师David McHenry说，“这种夹头的锥度非常小，因此具有自锁功能，但它的确有一定的锥度，因此可以取出刀具。它的整个换刀过程大约需要10秒钟。”同一个powRgrip刀具夹头可以夹持不同尺寸的刀柄。

    Briney工具系统公司的销售工程师Jim Smith指出，如果一个加工车间的大多数刀具夹头都需要使用辅助设备，那么换刀工作就应该由不操作机床的人员来做，这样可使机床操作人员将更多注意力放在手头的加工任务上，并最大限度地缩短机床停机时间。

    从理论上说，侧面锁紧夹头、弹簧夹头和液压夹头的换刀速度更快，因为在换刀时，这些夹头可以留在主轴上不必取下。但实际上，很少有加工车间会这样做。

    McHenry解释说，“如今的
加工中心通常都使用位于机床侧面的自动换刀转盘。你只需打开刀库门，取出用过的刀具，并换上新刀具，机床就能自动完成换刀。”但他补充说，一些使用老式机床的小型加工车间可能仍然需要手动换刀。

    不过，由于无需辅助设备，上述类型的刀具夹头也可以采用速度更快的机外换刀方式。无论使用何种类型的刀具夹头，大多数加工车间都有已装夹好的备用刀具，以防不时之需。

    T-Tool公司的Wijtenburg说，“即便采用自动换刀机械手（ATC），操作者仍然需要将刀具组装到一起。通常，你需要有已经组装好的备用刀具，以防出现打刀等意外情况。如果一个加工车间的生产率非常高，一次打刀就可能会导致生产停顿。因此，许多加工车间要预备事先装夹好的刀具。”nextpage

    平衡与预调

    对组装好的刀具进行平衡和预调是刀具装夹过程的组成部分。虽然平衡会增加刀具装夹时间，但却非常值得，对于高速加工刀具尤其如此。刀具不平衡可能会引起振动并导致颤振，最终会恶化加工表面光洁度和缩短刀具寿命。当不平衡非常严重时，甚至可能会造成主轴损坏。

    精密刀具夹头需要进行预平衡，在主轴转速为20,000r/min的高速加工中，平衡等级应达到G2.5。大多数制造商也表示，他们要对侧面锁紧夹头和弹簧夹头进行预平衡。不过，这些刀具夹头的主轴转速通常较低（如8,000r/min），要求达到的平衡等级也较低（如G6.3）。

    即便使用经过预平衡的刀具夹头，在每次换刀后，也应该在平衡机上对组装好的刀具进行平衡。不过，根据不同的加工要求，需要达到的平衡水平也各不相同。一台平衡机的价格可能高达20,000－40,000美元，因此这是一笔需要慎重考虑的投资。

    雄克公司的Keith说，“虽然工具系统的平衡始终都很重要，但也取决于加工要求。主轴转速越快，平衡就变得越重要。根据不同的加工，对于所用机床的主轴转速为6,000－8,000 r/min的加工车间来说，平衡可能会成为问题。如果你的机床转速低于这一范围，平衡通常不会造成问题。如果你的机床转速高于这一范围，平衡就会变成一个大问题。如果你的机床转速超过20,000r/min，平衡问题就会攸关加工的成败。”

    他指出，对于一个机床主轴转速高达40,000r/min的模具加工车间，通常在每次换刀后都需要检查平衡状况。“但是，如果只是用侧面锁紧夹头进行粗加工，则不必要求如此严格，也就是说，对于主轴转速不高的粗加工而言，刀具平衡的重要性相对较低。”

    Haimer公司的Holden认为，即使是转速较慢的低端工具系统，也可以从平衡中受益。“有些加工车间的机床转速虽然能达到8,000r/min，但可能仍会以2,000r/min的转速进行精加工。他们不愿意提高速度的原因是高速切削容易引起振动和尺寸超差。因此，在这种情况下，对侧面锁紧工具系统进行平衡将非常有用，可以有效提高加工转速（如提高到4,000r/min）和进给率。”

    对组装好的刀具进行预调也会增加刀具装调时间，但从长远来看，却可以节省总的加工时间。Rego-Fix公司的McHenry解释说，“如果你在开始加工之前，在装调刀具时对组装好的刀具进行机外预调，就能节省不少时间。许多用户都有一台或两台刀具预调仪，可以对一项加工任务所用的所有刀具进行预调，测量所有刀具长度并将其输入加工机床。预调仪能快速测量和输入刀具尺寸，从而无需再在机床上对每把刀具进行触测。”

    车床刀具夹持系统

    由德国率先开发的VDI快换夹头可在车床上实现快速换刀。这种夹头连同刀具一起，用一个螺钉安装在车床的转塔刀架板上。通常，这种夹头可在几秒钟内完成换刀，而传统夹持系统的换刀时间则需要几分钟。

    ITI Tooling公司产品经理Leigh Bickham说，“VDI夹头通过一个锯齿夹紧装置上的单螺钉机构与转塔刀架连接，该夹紧装置可将夹头精确而可靠地夹固到位。与用多个螺栓将夹头直接紧固在转塔刀架板上的螺栓紧固式夹持系统不同，VDI夹头只需拧松一个螺钉，就能轻松地从转塔刀架上取下，而螺栓紧固式系统则需要卸下多个螺栓才能取下夹头。”

    与VDI夹头相比，螺栓紧固式夹头——也称为底座安装工具系统（BMT）——的优势是具有更好的刚性。因此，虽然BMT夹头的换刀时间较长，但在需要切除大量工件材料的重载切削或需要采用长镗杆的大悬伸加工中，则应该考虑采用BMT工具系统。

    ITI Tooling公司开发的Varia快换刀具夹持系统是一种换刀速度更快的车床工具系统。该系统通过更换体积很小的、可互换的刀具夹持模块来实现换刀，而不必取下整个VDI夹头。Bickham说，“你仍然需要将VDI夹头装在车床上，但换刀时无需从转塔刀架上取下整个夹头，而只需通过转动一个速开凸轮，取出装有用过刀具的模块，然后将已预装好新刀具的另一个模块放入留在转塔刀架上的VDI夹头中。”由于VDI夹头已与机床主轴对准，因此无需对新换的刀具重新对准。

    无论采用哪种车床刀具夹持系统，最快的换刀方式都是事先在机外准备好预装了刀具的夹头。Bickham说，“我们的目标是，要为下一步加工预备另外的刀具夹头，并提前装好刀具。当机床还在进行上一步加工时，就可以预装下一步要用的刀具。这样，一到换刀时间，就能实现快速换刀。”

    瑞士式机床刀具夹持系统

    瑞士式机床的特点是采用刀架或转塔刀架，各把刀具之间离得很近，而且必须手动装刀，因此换刀过程耗时较长。瑞士式加工刀具通常用直柄夹头来夹持。

    T-Tool公司的Zeta刀具夹头是一种夹筒螺母夹持系统，它可以用一个棘轮工具快速夹紧刀具，而且对操作者的手没有任何危险。Wijtenburg说，“Zeta夹头肯定有助于加快手动换刀速度，在刀架上同时伸出多把刀具的瑞士式机床上尤其如此。Zeta夹头使操作者的手能远离其他刀具，因此可以轻松自如地换刀。而且，用于调节Zeta夹筒螺母的棘轮工具支承在特殊的轮廓上，可防止细小的刀具掉入机床中。”

    Rego-Fix公司为瑞士式加工提供了SwissQuick转接式刀具夹头。该系统可以在机外按照一定的刀具长度预装刀具，然后在瑞士式机床上在很短时间内快速改变刀具长度，从而无需对新安装的刀具进行触测。McHenry说，“一般来说，当刀具磨损后，就必须将整个直柄夹头取下来，换上另一个夹头，并对新换的刀具进行触测，以确定其准确位置。使用圆柱形的SwissQuick夹头时，可以不必取下整个夹头，而只更换采用螺纹连接的前端部分。这种夹头可在机外预装刀具，且无需每次都对刀具进行触测。”

    可快速更换刀片的夹持装置

    刀片快速更换装置也可以包括在快换刀具夹持系统的范畴内。Click Change公司开发了一种能快速更换硬质合金刀片的车床类刀片夹持装置（即刀体）。该刀体可取代车床上使用的标准长条形刀具。

    利用这种刀片夹持装置，操作者能在几秒钟（而不是通常的几分钟）内完成刀片更换。Click Change公司总裁Charles Van Horssen说，“我们用一种可用手指操作的夹紧机构取代了通常用于固定刀片的紧固螺钉。该夹紧机构有一个可插入刀片中心孔的固定销，该销子可以按入中心孔和从孔中拉出，能将刀片固定在刀座中。”

    该夹持装置还降低了更换刀片所需的技能水平，并减少了由操作者引起的不确定性。Van Horssen指出，有些操作者总是将紧固螺钉拧得过紧，可能会造成螺钉断裂，有时甚至会损坏刀片。

    他还指出，一些采用紧固螺钉的夹持装置也有一个插入刀片中心孔的销子。他说，“如果你插入销子的方式不正确，就会造成刀片向左边或右边轻微歪斜，而没有将其准确固定在刀座中。由于偏移量非常小，因此操作者很难发现，从而可能会造成切削尺寸偏小0.075－0.1mm。而这只是操作者在碍手碍脚、黑暗潮湿的场所工作时可能出现的问题之一。”

    Click Change刀片夹持装置适用于四种最常见的基本刀片型式（CNMG、DNMG、VNMG和SNMG），适用的刀柄尺寸范围为16－32mm。在需要修理或更换之前，该夹持装置的使用寿命通常为两三年。可以通过更换刀座对其进行修复。

    Van Horssen说，“采用Click Change夹持装置，每更换一次刀片，就能在人工成本和加工时间上节省一两美元，因为你的机床将会运行得更快。”

    刀具夹头很容易受到忽视，因为与其他一些加工要素相比，它们的成本比较低廉。但实际上，只要掌握一些知识，付出一些努力，就能减少更换刀具所花的时间、最大限度地提高加工效率和缩短停机时间。