CNC加工中心在過(guò)去的30年間得到了持續(xù)改進(jìn)和發(fā)展。如今這些機(jī)床的設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了柔性化，通過(guò)很小的結(jié)構(gòu)變化，就能夠應(yīng)用于從短期工具制造到長(zhǎng)期產(chǎn)品生產(chǎn)的各種加工場(chǎng)合。過(guò)去曾采用焊接或鉚接裝配的飛機(jī)零部件，現(xiàn)在則可以在高速大功率加工中心上將整塊鋁坯掏空加工而成。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)去幾乎完全由專用的傳送流水線進(jìn)行生產(chǎn)，如今則趨于用加工中心進(jìn)行敏捷制造。這些加工中心都有一個(gè)基本特點(diǎn)：能夠自動(dòng)更換工具而無(wú)需操作者干預(yù)。
工具夾頭在各種不同的切削刀具與加工中心主軸之間提供標(biāo)準(zhǔn)連接。它的工作方式與一個(gè)可調(diào)整的鉆夾頭類似，就像家庭維修工可以更換手提鉆的鉆頭一樣。加工中心的主軸孔和工具夾頭的柄部及法蘭均按標(biāo)準(zhǔn)制造，這些標(biāo)準(zhǔn)過(guò)去25年間在世界范圍內(nèi)得到了發(fā)展�？偟膩�(lái)說(shuō)，這些標(biāo)準(zhǔn)的制定比較完備，只要主軸和工具夾頭都符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，就可以保證它們之間的連接既牢靠又有很高的同心度。
由于工具夾頭采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，也由于它相對(duì)于機(jī)床主體而言創(chuàng)新發(fā)展較緩慢，因此在一些加工中心用戶中形成了一種揮之不去的印象：工具夾頭似乎是一種“商品”（標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品）。從今天在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中打拼獲得成功的工具夾頭制造商的數(shù)量來(lái)看，也很容易得出這一結(jié)論。但是一些終端用戶并不認(rèn)同“商品”的概念。確實(shí)，某種類型的所有工具夾頭看似相像，但肯定不會(huì)完全相同。
工具夾頭的質(zhì)量差異
是什么原因使一種產(chǎn)品優(yōu)于另一種呢？在大多數(shù)金屬切削加工中，合格零件與廢品之間的區(qū)別常常在于關(guān)鍵尺寸上極微小的差異。同樣，一個(gè)高精度工具夾頭的不同之處也取決于所采用的制造公差。
評(píng)價(jià)指標(biāo)1：同心度
切削刀具的回轉(zhuǎn)軸線必須與機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)軸線精確一致。實(shí)現(xiàn)近于完美的同心度的方法雖然很明確，但也很復(fù)雜。
首先，將工具夾頭的錐柄裝入對(duì)應(yīng)的主軸錐孔時(shí)，每一次都必須非常精確。為此，配合表面的錐角公差必須很小。這些公差由國(guó)家或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定和頒布，一般可供任何人查閱。制造完成的工具夾頭要用量規(guī)檢測(cè)其圓度和錐角，而這些量規(guī)則由實(shí)物基準(zhǔn)規(guī)來(lái)標(biāo)定。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采用的測(cè)量方法各不相同，從實(shí)物接觸機(jī)械式測(cè)量、實(shí)物接觸/電子模擬量測(cè)量到非接觸模擬量測(cè)量（如氣動(dòng)量規(guī)）。所有這些行之有效的方法都有一個(gè)共同特點(diǎn)：都要用實(shí)物基準(zhǔn)規(guī)來(lái)標(biāo)定。
不同工具夾頭制造商的基準(zhǔn)規(guī)之間存在明顯的差異。這一肯定的判斷是基于多年來(lái)對(duì)不同制造商的工具夾頭產(chǎn)品進(jìn)行成百上千次測(cè)量的結(jié)果。簡(jiǎn)言之，它們的確不同。即使假定市場(chǎng)銷售的所有工具夾頭均與它們各自對(duì)應(yīng)制造商的基準(zhǔn)規(guī)相符，但不同的制造商采用的基準(zhǔn)規(guī)卻并不相同。隨之產(chǎn)生了一個(gè)問題：不同制造商的工具夾頭與機(jī)床主軸的適配性也不盡相同。其原因很簡(jiǎn)單：沒有標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)錐度的“母基準(zhǔn)規(guī)”。
雖然位于馬里蘭州的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所（NIST）和一些高水平計(jì)量實(shí)驗(yàn)室（如位于俄亥俄州的Timken公司實(shí)驗(yàn)室）具備了在確定環(huán)境條件下采用具有適配精度的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)測(cè)量錐度的能力，但沒有單一基準(zhǔn)實(shí)物量規(guī)能夠方便地檢定其它具有相同尺寸和錐度的實(shí)物量規(guī)�？梢岳斫猓跊]有單一基準(zhǔn)源或可供所有量規(guī)溯源的基準(zhǔn)規(guī)的情況下，市場(chǎng)上不同廠家的產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定尺寸的符合程度就存在差異，而這些差異將影響與主軸的配合質(zhì)量。下面作進(jìn)一步分析。
一些制造商仍可提供用于極端加工場(chǎng)合的重載套筒夾頭和立銑夾頭。但是，除了液壓和熱縮技術(shù)可能有所不同外，大多數(shù)制造商都在復(fù)制彼此的產(chǎn)品系列，因此市場(chǎng)上的工具夾頭產(chǎn)品在外觀上令人吃驚地千篇一律，不同之處僅在于各自采用的制造方式。這就又回到了前面得出的結(jié)論：差異在于制造商的檢測(cè)方式、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、公差大小以及——最重要的——制造能力的不同�？偠灾�，各種工具夾頭不可能完全相同。
評(píng)價(jià)指標(biāo)3：檢測(cè)
這里有一個(gè)可說(shuō)明工具夾頭檢測(cè)差異的例子：6年前，COMMAND TOOLING SYSTEMS公司開始按照HSK標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)工具夾頭，首先購(gòu)買了所需的量具。獲得量具后經(jīng)過(guò)測(cè)量比對(duì)，發(fā)現(xiàn)不少競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手（當(dāng)時(shí)大部分為歐洲制造商）生產(chǎn)的 HSK工具夾頭與我們從德國(guó)獲得的基準(zhǔn)量規(guī)相比變化范圍相當(dāng)大。結(jié)果令人吃驚：所檢測(cè)的產(chǎn)品沒有一件位于公差范圍之內(nèi)。為了確保檢測(cè)結(jié)果正確，我們又從德國(guó)另一家量規(guī)制造商處購(gòu)買了一個(gè)新的基準(zhǔn)量規(guī)。令人吃驚的是，這兩個(gè)量規(guī)完全一致，區(qū)別僅在于制造方法不同。制造符合HSK標(biāo)準(zhǔn)的工具夾頭畢竟不是在公園里散步，因此應(yīng)該得到更好的檢測(cè)結(jié)果。
每一個(gè)被加工產(chǎn)品都有公差，主要用于衡量制造變化量的大小——變化越小，公差越緊。因此，上述事例并不否認(rèn)被檢測(cè)的夾頭在某種水平上（或?qū)τ谀承┲鬏S）能夠使用。但是，工具夾頭制造商卻無(wú)法控制夾頭的終端使用情況。如果提供銷售的夾頭產(chǎn)品就未達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，則夾頭制造商對(duì)于夾頭嚴(yán)重偏離標(biāo)準(zhǔn)的情況也無(wú)能無(wú)力。
評(píng)價(jià)指標(biāo)4：平衡
如今銷售的越來(lái)越多的加工中心配備了設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速達(dá)10000rpm或更高的主軸。用于這些機(jī)床的刀具不但必須具有很好的同心度和高強(qiáng)度，而且必須與主軸一樣進(jìn)行精細(xì)的平衡，否則將會(huì)產(chǎn)生有害的振動(dòng)而引起震顫，從而降低加工表面光潔度，縮短刀具壽命。在不平衡量很大的極端情況下，還可能造成主軸損壞。近年來(lái)已有不少文獻(xiàn)對(duì)工具夾頭的平衡問題進(jìn)行了探討，在此無(wú)需重復(fù)。但其中很重要的一點(diǎn)是，因刀具/工具夾頭組合系統(tǒng)不平衡而產(chǎn)生的離心力與主軸轉(zhuǎn)速的平方成正比。如果在轉(zhuǎn)速1000rpm時(shí)產(chǎn)生的力可忽略不計(jì)的話，轉(zhuǎn)速10000rpm時(shí)產(chǎn)生的力則是其100倍，20000rpm時(shí)的力則是其400倍。因此，在主軸轉(zhuǎn)速不斷提高的情況下，要求具有極好的同心度顯得更為重要，因?yàn)槿绻毒呋剞D(zhuǎn)偏離了主軸中心線，它將成為附加不平衡量的一個(gè)主要來(lái)源。
工具夾頭的不平衡通常來(lái)源于功能性設(shè)計(jì)，如立銑夾頭中的鎖緊螺釘或CAT夾頭中傳動(dòng)槽的深度不等。但由于許多原因，不平衡量的產(chǎn)生常常是隨機(jī)性的。無(wú)論不平衡源于何處，都需要去除一部分材料，以消除不平衡量，起到修正作用。另一種解決辦法是使用可調(diào)平衡刀具夾頭，用戶可通過(guò)調(diào)整徑向螺釘或平衡環(huán)來(lái)消除不平衡。在此情況下，需要確定工具夾頭不平衡的位置和大小，而這就需要使用復(fù)雜的平衡檢測(cè)儀。在某些情況下，車間最好使用來(lái)源可靠的、經(jīng)過(guò)預(yù)平衡的工具夾頭，并配套使用高質(zhì)量的切削刀具，與購(gòu)買和使用動(dòng)平衡儀相比，這樣性價(jià)比更高。
不可忽視工具夾頭
許多事例表明，通過(guò)改善主軸適配性、同心度和平衡性能，可以降低加工難度。從事
模具制造的Gem Tool公司通過(guò)簡(jiǎn)單地將夾套系統(tǒng)由雙角設(shè)計(jì)更換為單角的DR20系列，改善了同心度和換刀重復(fù)性，使刀具壽命和加工精度都得到了提高。波音公司在加工
復(fù)合材料儀表板時(shí)，由于刀具非常小，幾乎不允許有不平衡引起的誤差，因此為轉(zhuǎn)速30000rpm的彈簧夾頭設(shè)計(jì)了特殊的突出部，進(jìn)一步提高了夾頭的平衡性和同心度。另一個(gè)明尼蘇達(dá)州的制造商用單點(diǎn)金剛石刀片對(duì)幾十萬(wàn)個(gè)孔進(jìn)行單點(diǎn)鏜孔加工，孔的公差僅為0.0003in.（0.007mm）。要通過(guò)多次自動(dòng)換刀完成如此高精度的加工操作，主軸的適配精度極其重要。
在上述加工實(shí)例中，有些屬于極端加工條件，有些則不是（如更換夾套系列）。關(guān)鍵在于，如果沒有精確的主軸適配性、同心度和良好的動(dòng)平衡，要在這種極端條件下完成加工實(shí)際上是不可能的。而將這些理念應(yīng)用于車間的日常加工中也大有裨益。精確的主軸適配性可提高批量加工零件的重復(fù)精度，在生產(chǎn)過(guò)程中易于保證公差，從而降低加工成本。高的同心度可使刀具每齒切削負(fù)荷均衡，刀具壽命延長(zhǎng)，從而減少刀具費(fèi)用和輔助工時(shí)。良好的平衡能充分發(fā)揮機(jī)床的加工能力，提高工效，減少工時(shí)。
希望降低加工過(guò)程可變性的精密制造商應(yīng)認(rèn)真考慮高質(zhì)量工具夾頭的邊際成本差異。良好的工具夾頭能夠在增加生產(chǎn)效率的同時(shí)減少刀具費(fèi)用和輔助工時(shí)
