對(duì)于高速加工而言，刀具夾頭對(duì)于生產(chǎn)的可靠性、加工精度和總成本效應(yīng)的影響尤其重要。刀具夾頭必須是平穩(wěn)或者易于平穩(wěn)的，必須具有足夠的夾緊力，必須足以應(yīng)對(duì)車間的生產(chǎn)以及各式各樣的切削刀具。

當(dāng)要以15000r/min以上的主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行高速加工時(shí)，人們可能就會(huì)發(fā)現(xiàn)，需要面對(duì)更多的問題：不平衡、振動(dòng)帶來的影響以及徑向跳動(dòng)量擴(kuò)大等，這些都是導(dǎo)致刀具壽命縮短、產(chǎn)生不良表面質(zhì)量、造成主軸故障的潛在因素。刀具夾頭選擇錯(cuò)誤，對(duì)于用戶來說無疑意味著自找麻煩。

現(xiàn)在，人們不得不面對(duì)機(jī)床轉(zhuǎn)速不斷提高的這一事實(shí)。特別是汽車輕量化的需要，使鋁合金材質(zhì)工件的高速加工應(yīng)用更加廣泛。高速加工帶來的高產(chǎn)量，也讓發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件以及沖模和鑄模的制造商們受益匪淺。與此同時(shí)，高速加工還使輕量化制造變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并且更為可靠。

 對(duì)于高速加工而言，刀具夾頭對(duì)于生產(chǎn)的可靠性、加工精度和總成本效應(yīng)的影響尤其重要。刀具夾頭必須是平穩(wěn)或者易于平穩(wěn)的，必須具有足夠的夾緊力，必須足以應(yīng)對(duì)車間的生產(chǎn)以及各式各樣的切削刀具。

刀具夾持技術(shù)的最新趨勢(shì)是采用熱縮式夾緊結(jié)構(gòu)，裝夾時(shí)利用感應(yīng)或熱風(fēng)加熱使刀桿孔膨脹，進(jìn)行刀具的更換，然后采用風(fēng)冷使刀具冷卻到室溫，利用刀桿孔與刀具外徑的過盈配合實(shí)現(xiàn)夾緊，這種結(jié)構(gòu)使刀具在高轉(zhuǎn)速下仍能保持可靠的夾緊性能，特別適用于更高轉(zhuǎn)速的高速銑削加工。

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念對(duì)高速加工來說似乎令人信服。由于其對(duì)稱性和沒有移動(dòng)部件(如螺釘)，它們具有固有的平衡性，徑向跳動(dòng)為2.5～5.0mm之間或更小，且能提供相當(dāng)大的夾緊力。據(jù)Briney Tooling Systems公司的估計(jì)，當(dāng)鏜桿以75kw的功率旋轉(zhuǎn)刀具時(shí)，熱縮式刀具夾頭可提供給錐柄的夾緊力平均為44.5kN。該公司聲稱，其夾緊能力高于機(jī)械或液壓卡爪的夾緊力5倍以上。

然而，熱縮式刀夾的使用推廣卻十分緩慢，分析其原因可能存在以下幾點(diǎn)：首先，采用熱脹冷縮原理的裝夾理念尚不為人們廣泛接受。有些人對(duì)不使用固定螺釘或卡爪來夾緊物件的方式缺乏感性認(rèn)識(shí)，再加上收縮性錐柄必須有與之相匹配的專有錐柄直徑，因此，對(duì)尺寸各異的刀具來說，使用時(shí)好象并不十分靈活。然而，在大批量的汽車部件生產(chǎn)中，這還算不上是什么主要問題，因?yàn)?，通常人們使用的錐柄都是標(biāo)準(zhǔn)的。盡管可以縮短換刀時(shí)間，這個(gè)過程所需要的時(shí)間甚至低于30秒，但由于存在加熱和冷卻的過程，仍有某些人對(duì)此持否定態(tài)度。

此外，成本問題也是人們所需要考慮的。采用熱縮式夾緊結(jié)構(gòu)的刀具夾頭成本要比其他刀具夾頭高出大約30%，而且還需要配備一套感應(yīng)加熱機(jī)，其成本從幾千美元到1萬美元以上不等。但所有接觸過熱縮式刀具夾頭的用戶都認(rèn)為，熱縮式刀具夾頭在實(shí)踐中的表現(xiàn)證明，它們確實(shí)具有充分的合理性，無論高速加工還是低速加工其優(yōu)勢(shì)都顯而易見。這一點(diǎn)可通過與采用液壓夾緊原理或其他機(jī)械方式的刀具夾頭進(jìn)行比較即可看出。這些優(yōu)勢(shì)最終體現(xiàn)在切削刀具壽命和高速加工生產(chǎn)力的提高上，加快的進(jìn)給率和較低的刀具消耗補(bǔ)償了使用熱縮式刀具夾頭所帶來的成本。

從長遠(yuǎn)利益來看，如果一個(gè)工廠每月要在購買刀具上投入大量資金的話，使用熱縮式刀具夾頭能夠有效地為其降低制造成本。Aisin Drivetrain公司在其傳動(dòng)箱的生產(chǎn)中進(jìn)行了熱縮式刀夾的測(cè)試，轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率提高達(dá)20%～30%，生產(chǎn)力提高到400%，PCD刀具壽命提高了3 倍。在節(jié)省了昂貴的刀具投入成本的同時(shí)，也向人們證明了熱縮式夾緊結(jié)構(gòu)的合理性。

與此同時(shí)，彈簧夾頭對(duì)于高轉(zhuǎn)速的追求也一直沒有停歇。作為最流行的刀具夾頭，它們依靠純機(jī)械界面夾緊刀具，適合大范圍的椎柄長度和直徑，能夠?yàn)橛脩籼峁└叨鹊倪m用性和柔性。目前，至少有若干供應(yīng)商有能力提供適用于高速加工的彈簧夾頭。

彈簧夾頭有著諸多實(shí)用優(yōu)勢(shì)。很多用戶表示，他們更喜歡不需要加熱的夾緊方式，這樣，一般操作者使用起來會(huì)比較安全。彈簧夾頭在Z軸向上允許更多的刀具預(yù)調(diào)整。而對(duì)于熱縮式刀具夾頭來說，要達(dá)到這一點(diǎn)需要配備專用預(yù)調(diào)儀器。尤其是汽車制造業(yè)的廣大用戶，他們更加偏愛具有Z軸向的預(yù)調(diào)能力，這樣能夠方便地更換刀具。

彈簧夾頭柔性十足。當(dāng)更換一把帶不同直徑錐柄的刀具時(shí)，只須更換夾套而不是整個(gè)刀具夾頭。但柔性的代價(jià)是夾持特定的刀具時(shí)會(huì)缺乏剛性，這會(huì)導(dǎo)致刀片磨損較大，因而需較頻繁地更換刀具。

Rego- Fix公司聲稱其有一套強(qiáng)力夾緊系統(tǒng)能夠與熱縮式刀夾相媲美。該公司于2004年推出的powRgrip強(qiáng)力夾持系統(tǒng)，可以通過在夾套和刀柄之間的極度界面配合產(chǎn)生很大的夾緊力。多次刀具更換表明該系統(tǒng)表現(xiàn)良好，據(jù)說該系統(tǒng)已經(jīng)通過超過20000次的刀具插入和卸下的測(cè)試記錄?？ūP上的唯一磨損件為夾套，而夾套是相對(duì)比較便宜的配件。同熱縮夾頭系統(tǒng)類似，powRgrip也需要一套刀具插入機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)是一臺(tái)式迷你型壓力機(jī)，可產(chǎn)生6t的壓力，刀具插入或卸下大約需要15秒鐘。

Lyndex-Nikken公司也提供高速加工用的彈簧夾頭系統(tǒng)。據(jù)說，其VC型刀夾特別適用于模具的修整，在40000r/min的高速下運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，在4×D處徑向跳動(dòng)量僅為3mm。此外，該刀夾不需要使用工具或夾具拆裝夾頭。據(jù)Lyndex- Nikken公司介紹，各種特征均使該刀具夾頭在40000r/min高速下仍然具有非常高的精度。該夾頭帶有一加長柄和平的肩部，此特征可保證同心度和合理的力傳遞。此外，該刀具夾頭光滑的外形也降低了在高速加工時(shí)的空氣流和切削噪音。通過內(nèi)在特征，如基部的厚壁部分和8°的夾頭設(shè)計(jì)，抑制了諧振，提高了剛性。因?yàn)檎駝?dòng)能縮短刀具壽命、降低表面精度和磨損主軸，所以，該系統(tǒng)在高速加工時(shí)能夠吸收和隔離振動(dòng)的特性是相當(dāng)有價(jià)值的，抑制振動(dòng)方面優(yōu)于熱縮夾頭。此外，VC刀夾還帶有TiN涂層，可在緊固螺帽時(shí)減小摩擦，所以可采用較大扭矩，同時(shí)螺帽下的溝槽可抑制小的諧振。

另一種高速卡盤刀具夾頭也可以在40000r/min的高速下達(dá)到平衡，這是由BIG Kaiser精密刀具公司推出的BIG-PLUS兩面定位主軸系統(tǒng)，是目前世界上唯一能夠真正實(shí)現(xiàn)“兩面定位”的7：24錐柄。使用帶BIG-PLUS兩面定位主軸系統(tǒng)的Mega夾持系統(tǒng)，提高了主軸和刀具夾頭接觸面的精度和剛性。據(jù)報(bào)道，未開槽的螺帽在高速時(shí)可消除刀具振動(dòng)、降低嘯聲和減少冷卻液飛濺。刀具夾頭帶一套滾珠軸承單向離合系統(tǒng)的專有扳手，作為螺帽緊固時(shí)的棘輪。該系列刀具夾頭是為最小的刀具設(shè)計(jì)的，有直徑從0.25～38mm不等的四種不同規(guī)格：用于小型切削刀具的緊湊區(qū)域的Mega微型彈簧夾頭;高速加工的標(biāo)準(zhǔn)New Baby彈簧夾頭;用于可達(dá)12.7mm高夾緊力的端面銑的E型彈簧夾頭;以及雙動(dòng)力卡盤，在刀夾體和螺帽之間的雙接觸螺帽可提高剛性。

無論采用何種刀具夾頭，平衡對(duì)于高速加工來說都至關(guān)重要。在高速加工中，普遍可接受的刀具夾頭最大不平衡量為3gmm，但在主軸以30000r/min以上的高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，該不平衡量值降到1g-mm。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)、普通端面銑刀具夾頭可表現(xiàn)出250gmm的不平衡量。根據(jù)實(shí)際使用的轉(zhuǎn)速，這種不平衡可能會(huì)帶來災(zāi)難性的后果。

為了適用于高速加工，有些刀具夾頭采用預(yù)先調(diào)平到指定水平的方式。某些預(yù)調(diào)刀具夾頭供應(yīng)商也提供平衡設(shè)備。這些設(shè)備讓用戶能夠平衡刀夾系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化使用，并降低在高速下由于不平衡帶來的離心力而導(dǎo)致的磨損。

即使經(jīng)過預(yù)調(diào)，主軸配合不良、刀具的損壞及磨損以及各部件裝配公差較松等其他因素也可能會(huì)破壞加工中的平衡性。因此，在車間里保持刀具夾頭的平衡是很重要的。Rego-Fix提供的一種刀夾方法，其制造的每一個(gè)刀具夾頭都帶有一套溝槽，需要時(shí)可加裝一套平衡環(huán)。這些平衡環(huán)繞過刀具夾頭卡入溝槽，使得 Rego-Fix的任何標(biāo)準(zhǔn)刀具夾頭都具有平衡能力。平衡環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)超過42000r/min的轉(zhuǎn)速是有效的。作為帶平衡能力的刀具夾頭，刀具更換后，還需要平衡設(shè)備去平衡和檢查這些夾頭。

對(duì)于給定的轉(zhuǎn)速，將刀具夾持系統(tǒng)保持在不平衡閾值以下是很重要的。該閾值隨著轉(zhuǎn)速的提高而降低。假如轉(zhuǎn)速為30000r/min或者更快，那么平衡閾值將降低，以至于很小的振動(dòng)也不允許出現(xiàn)。這種情況下，建議用戶在刀具預(yù)調(diào)整后且刀具夾持系統(tǒng)已經(jīng)平衡后再使用。即使在低轉(zhuǎn)速下，也需要重新平衡。尤其當(dāng)在不同的機(jī)床上更換保持柄，在高速鋼刀具和硬質(zhì)合金刀具間更換或者更換刀具的設(shè)計(jì)時(shí)。