Coromant Capto模块化刀柄系统
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Capto刀柄的实用性和竞争力肯定将对最终用户有所帮助。不过,由于它的外形轮廓对于磨削加工来说相当复杂,有些制造商要正确掌握这种技术需要花费很长时间。
“capto”是一个拉丁语单词,有“抓取、捕捉”的意思。对于由山特维克可乐满(Sandvik Coromant)公司开发的Coromant Capto(以下简称Capto)刀柄系统而言,则可以用模块化、通用性和重复性来定义它。
Capto刀柄的发明者肯·安德森先生已从山特维克公司退休,如今在从事造船工作。山特维克可乐满公司在1989年完成了首个Capto刀柄原型的研发,并在1990年的芝加哥国际机床展览会(IMTS)上首次展出了Capto刀柄的完整样品。从那以后,通过山特维克可乐满公司和各种许可经销商的销售,Capto刀柄获得了广泛应用,并在2008年该公司的专利权期满和许可证要求终止时,被纳入刀柄系统的ISO标准(26623)。通过了ISO认证,就意味着制造商不能销售不符合标准规范的Capto刀柄。
山特维克可乐满公司国内业务经理克里斯·米尔斯表示,“当专利权失效后,我们不希望人们生产一些质量较差的Capto刀柄,那样会给已在使用Capto刀柄的用户造成一些问题。我们希望确保任何人生产的所有Capto刀柄都能严格遵循与其原版产品相同的技术规范。我们推动ISO认证的目的,就是确保任何人都不能随意改动Capto刀柄的设计,而ISO认证达到了这一目的。”
Capto刀柄采用了与其他刀柄截然不同的三棱多边形。当初,它的发明者安德森提出,“为什么模块化刀柄系统非得采用圆形呢?我发现三棱多边形可以提供极好的稳定性。”
山特维克可乐满公司称,多边形锥柄可以确保自动径向定心,并从接口的周边施压,能将联接的重复性控制在2µm以内。
多边形锥柄无需利用键和键槽,就能将扭矩从机床主轴传递给刀具。瑞士Rego-Fix刀具公司总裁安德鲁斯·韦伯说,“CAT刀柄或BT刀柄在联接凸缘处都采用键联接来传递扭矩。而Capto刀柄由于采用了多边形锥柄,不会在主轴锥套内转动,因此,主轴的全部可传递扭矩都作用于Capto刀柄的整个锥面上。”

图1 Rego-Fix公司生产带powRgrip弹簧夹头的Capto刀柄

图3 BIG Kaiser公司生产的几种Capto工具系统
Rego-Fix公司生产带有ER和powRgrip弹簧夹头系统的整体式Capto刀柄(图1)。Rego-Fix AG总裁兼首席执行官皮特·特斯特勒说,“为了向带有Capto接口的复合加工机床提供最受欢迎的Rego-Fix产品,我们精选了这些Capto刀柄产品。”除了具有三个棱边以外,这种空心多边形锥柄采用了1:20(即1.4)的锥度。“使用Capto刀柄不存在多种型式的问题,”特斯特勒说,“它不像HSK刀柄那样有A-T的多种型式。”目前,只有一种型式的Capto刀柄,它有6种尺寸规格:C3(凸缘直径32mm)、C4(40mm)、C5(50mm)、C6(63mm)、C8(80mm)和C8x(一种凸缘直径100mm的C8多边形);一种新的C10规格(凸缘直径100mm,其多边形大于C8)已于2009年3月1日上市。

快换功能

由于Capto刀柄具有快速换刀功能,因此它最初被应用于车床上。山特维克可乐满公司称,Capto刀柄的换刀速度比采用偏心轴夹紧方式的常规刀具快5-10倍。该公司的工具系统产品专家布伦特·戈弗雷说,“只需用扳手转动1/4圈,就能夹紧或松开切削头。例如,当你进行机外装刀时,只需要不到30秒时间就能换好一把刀并重新开始切削。”
山特维克可乐满公司指出,在全球车削中心刀具市场上,常规刀具占有87%的份额,快换刀具占有其余13%的份额,但它的应用正在不断增加。而在美国使用的各种快换刀具中,Capto刀柄和肯纳公司的KM工具系统各占有43%的份额。
但是,Capto联接系统并非只适用于车削加工。山特维克可乐满的米尔斯指出,“设计Capto刀柄的主要原因是要开发一种同样适合车削、铣削和钻削加工的工具系统。”

图2 山特维克可乐满用于车床的Capto机床适配夹持单元(MACU)适用于车削和铣削加工
在2000年前后,当复合加工(铣/车加工)机床的应用开始变得日益流行时,Capto刀柄开始进入加工领域。米尔斯说,“Capto刀柄的设计或许比其所处的时代稍微超前一点,因为当时复合加工机床确实需要一种同样适用于车削、铣削和钻削加工的工具联接系统。”
复合加工机床的主轴在车削加工时必须锁紧到位,并在旋转加工时松开。对于这些机床来说,Capto刀柄非常有用。BIG Kaiser精密工具公司产品设计经理阿兰·米勒解释说,“复合加工机床的B轴——实际上就是铣削头——需要倾斜45°,以靠近工件。利用Capto刀柄,我们可以将刀具安装在主轴的中心线上,这样所产生的扭矩要小得多,主轴也不必承受太大负荷。由于施加在锁紧系统(用于在车削时保持主轴静止)上的压力减小,从而可以延长主轴寿命。”
山特维克可乐满的戈弗雷表示,“当用于复合加工机床时,Capto刀柄非常有效,因为这是旋转加工与静态加工的结合。”
据山特维克可乐满介绍,对于复合加工机床而言,Capto刀柄大约占有40%的全球市场份额,与之相比,KM 35刀柄的市场份额为35%,HSK、BT刀柄和大昭和精机公司的BIG Plus刀柄加起来占25%的市场份额。米尔斯估计,在2008年销售的复合加工机床中,大约50%采用了Capto刀柄,25%采用BIG Plus刀柄,15%采用HSK刀柄,10%采用KM刀柄。
这些市场份额是指那些具有Capto主轴接口的复合加工机床,以及将Capto刀柄集成为模块化工具系统的机床,这些工具系统使用与Capto集成的基本刀柄。基本刀柄的顶部是一个大锥度的锥形(或采用HSK设计),底部为Capto接受腔的夹紧区,最终用户装配好刀具,并通过一个中心螺钉使其在刀柄中扩张夹紧。基本刀柄保留在机床上不必取下,只需更换刀具即可。
山特维克可乐满的戈弗雷解释说,“现在,当你在加工中心上使用基本刀柄时,你可以在Capto多边形接受腔中夹持任何类型的刀具。基本刀柄的底部有一个定位面,其直径尺寸和与其联接的接头的定位面直径相同。当你把两种工具夹紧到一起时,这两个定位面相互接触,从而实现了面接触。”

图4 将Capto系统表面夹持到一起时,其接合面之间可实现完全接触(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
米尔斯估计,大约有8,000台带旋转主轴的机床使用了Capto主轴,还有更多数量的车床上集成了Capto接口。他说,“我很难估计出比较准确的数量,或许有数十万台这种机床。”

在加工中心上的应用

Capto刀柄在加工中心上的应用前景还不十分明确。尽管根据山特维克可乐满的统计数据,Capto刀柄在加工中心使用的模块化刀具中已占有30%的全球市场份额,但采用Capto主轴的加工中心数量还很少。戈弗雷说,“可能只有屈指可数的加工车间在自己的加工中心上采用了Capto主轴。”
订购一台安装了Capto主轴的机床并不是主要的障碍,但是,为了使用Capto独特的自动换刀夹持器槽型(位于凸缘处),就必须更换刀库和换刀机械臂。戈弗雷说,“问题实际上在于机床制造商。如果有一天,他们将Capto主轴视为加工车间必备的常规选项之一,他们才会有动力在自己生产的所有加工中心上配置Capto主轴。全部配备Capto刀柄的加工车间将具有最大的加工灵活性和最好的加工经济性,因为它们可以使自己使用的刀具种类最少化。”
这种加工柔性来自Capto接口,它使不同加工机床所使用的刀具(即使是车间在不同时间和场合购买的刀具)具有互换性。利用Capto工具系统的模块化特性,能够根据工件的尺寸组装出正确的刀具长度。戈弗雷说,“我曾见过最长的刀具装配长度大概是660mm或685mm,其中包括一个减振的Capto工具在内。”
不过,在不需要进行复合加工的情况下,最终用户可能更倾向于使用标准的大锥度刀柄,这种刀柄可以在传统磨床上进行磨削加工。与此相反,为了加工Capto刀柄的多边形锥面,刀具制造商必须配备先进的CNC数控磨床,而为了准确测量和验证Capto刀柄的加工质量,还需要配备三坐标测量机。BIG Kaiser的米勒指出,“大锥度刀柄更容易被更多刀具制造商大批量生产,因此,大锥度刀柄的选择余地要大得多。对于一台传统的立式或卧式加工中心而言,换用Capto刀柄需要花费一大笔开支。”
此外,由于Capto刀柄的多边形和1∶20锥度的复杂性,不可能在需要时进行在机主轴重调。米勒说,“Capto主轴需要被完全拉紧,并作为一个套筒夹头被重新组合。”
戈弗雷指出,“实事求是地说,在加工中心上,首选的刀具夹头或许仍然是大锥度夹头。”但值得注意的是,C10尺寸规格Capto刀柄的引入,对于通常包括大量铣削加工的加工中心加工将具有更大的吸引力。与静态加工相比,铣削加工需要更大的扭矩和功率,而新规格的Capto刀柄具有更粗壮和更坚固的多边形柄部,以及100mm的接合面接触长度,可增大其抗挠曲刚性。“在Capto刀柄的端部,作用于联接处的拉紧力将达到最大值。”

图5 Capto接口的夹紧机构(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图6 采用气动弹簧夹紧机构的Capto夹头、CAT大锥度夹头和HSK夹头在旋转加工中的拉杆压力对比(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图7 利用Capto工具系统,可实现高压冷却切削加工

气动夹紧机构

用于旋转加工的气动Capto主轴夹紧方式是利用一个气动弹簧夹紧机构,而不是标准的贝勒维尔垫圈盘式弹簧机构进行夹紧。这种夹紧方式能提供恒定的最大夹紧力和较长的零部件使用寿命,因为其中没有会磨损的机械零件。它还能提供额外的拉紧力,从而提高抗挠曲刚性,并能在高速加工中实现更好的动平衡,因为其中没有运动部件。
随着时间的推移,盘式弹簧机构会逐渐出现疲劳现象,其机械强度也会逐渐降低。山特维克可乐满的米尔斯说,“贝勒维尔弹簧垫圈的压力会逐渐丧失,这就是我们要开发这种独特的气动弹簧夹紧机构的原因。”他指出,一个客户在2年时间内,分别测量了一台采用Capto主轴的复合加工机床和一台采用CAT大锥度主轴的加工中心的夹持力,结果发现,尽管两台机床使用年限相同,但加工中心的夹持力丧失严重,而复合机床的夹持力却保持不变。
即使在全新状态下,气动弹簧机构的拉钉或拉杆夹持力也要大于HSK 100或CAT 50大锥度刀具夹头盘式弹簧机构的夹持力。据山特维克可乐满公司称,HSK 100刀柄的拉杆压力约为16,000N,CAT 50刀柄约为25,000N,而采用气动弹簧的C8刀柄拉杆压力为45,000N。米尔斯说,“你可以在多边形上施加更大的夹持力,而不会使其发生变形;但如果对HSK刀柄施加更大夹持力,其联接处的机械强度则不足以抵抗变形压力。”
Rego-Fix刀具公司的韦伯指出,Capto刀柄除了在装夹刀具时具有高水平的重复精度以外,其与主轴的全凸缘面接触意味着工具装配的Z轴高度也具有极高的重复性。他补充说,当以超过20,000r/min的主轴转速高速加工时,大锥度主轴的接受腔在离心力作用下会产生微量涨大,将刀柄更深地拉入主轴中,从而使Z轴高度发生变化。“由于Capto刀柄抵住主轴,因此不会发生这种情况。虽然BIG Plus和HSK刀柄也有这种优点,但是,Capto是一种完整的系统,而BIG Plus和HSK只是单个刀柄。”
Rego-Fix公司的特斯特勒也同意这种看法,他说,“我们发现,Capto系统提供了主轴与刀柄之间的最佳接口。从精度和性能的观点来看,Capto系统非常接近于将刀具切削刃直接装在主轴前端上。尽管Capto工具系统相对比较昂贵,但随着通过了ISO认证,其市场占有率将不断提高,将会有更多的刀具制造商提供这种产品,Capto刀柄的价格应该会逐步下降。”
韦伯指出,十多年前,当Rego-Fix公司的ER工具系统专利到期,并成为公开标准(DIN 6499)时,也曾出现过这种情况。
山特维克可乐满的米尔斯说,过去,Capto工具系统的一个重要卖点是能够快速更换车削刀具。而现在,该系统的亮点则是可以通过内冷却刀具实现高压冷却,因为如今内冷却刀具和高压冷却技术已变得日益流行,运用该技术可以改善切屑控制、降低刀具/工件界面温度、延长刀具寿命和提高切削速度。Capto工具系统能够通过喷嘴,将高压冷却液准确、可控地喷射到刀片切削的正确位置。通常,在先进的数控车床和加工中心上加工时,冷却液的标准压力为1,300psi。喷嘴位置无需调整,因此消除了加工过程中的变量,不需要操作者来确定冷却液的喷射位置。
米勒说,“Capto刀柄的实用性和竞争力肯定将对最终用户有所帮助。不过,由于它的外形轮廓对于磨削加工来说相当复杂,有些制造商要正确掌握这种技术需要花费很长时间。对此我持谨慎态度。”
虽然Capto刀柄能否打入立式/卧式加工中心(VMC/HMC)市场仍有待观察,但它在铣削/车削复合加工中的应用却前途无量。特斯特勒指出,“它将会成为复合加工机床的标准配置。”
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2010年第2期
上载于:2012-11-27 21:03:32

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