有時(shí)，這些切削力可能很大，并作用于多個(gè)方向，尤其在用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行大功率銑削時(shí)更是如此。然而，不同的專家對于所謂的“大切削力加工”卻有不同的定義。

　　德國雄克公司(Schunk Inc.)產(chǎn)品經(jīng)理Jeff Keith指出，“對刀具夾持力要求較高的加工通常都是一次切削加工(粗加工)，或者是對高強(qiáng)度的工件材料(如淬硬鋼和常見的航空材料)的加工。”當(dāng)最終用戶試圖通過增大切削深度、切削寬度或機(jī)床工作臺進(jìn)給速度來縮短加工循環(huán)時(shí)間時(shí)，在二次切削加工(精加工)中也會產(chǎn)生較大的切削力。

　　瑞士Rego-Fix公司的產(chǎn)品工程師David McHenry指出，尤其是在對加工成本敏感的行業(yè)(如汽車制造業(yè))，刀柄必須能夠承受加工要求的更高進(jìn)給率和切削速度，“為了更快去除工件材料，還需要使用具有大螺旋角的新型專用刀具——所有這些都取決于你將如何夾持刀具。”

　　美國Big Kaiser精密刀具公司副總裁Jack Burley解釋說，加工韌性較高的工件材料時(shí)，切削力會增大，而這種力具有將硬質(zhì)合金螺旋刀具拉離刀具夾頭的傾向，特別是用大螺旋角立銑刀加工通常用于航空工業(yè)的“特殊”材料(如Inconel合金和鈦合金)時(shí)，這種情況尤為明顯。當(dāng)用45°或60°螺旋角的立銑刀銑削這些材料時(shí)，立銑刀就像一顆螺釘一樣，將自身拉入工件之中，并趨向于脫離刀具夾頭。同樣，Lyndex-Nikken公司副總裁Preben Hansen也聲稱，粗加工模具鋼時(shí)，要求刀具夾頭對刀具有特別大的夾持扭矩。

　　但是，Techniks公司總裁John Stagge解釋說，通常在談到“大切削力”加工時(shí)，只考慮刀具尺寸和刀具承受的壓力可能會更好一些。按照Stagge對加工的定義，直徑大于19mm的立銑刀或鉆頭在承受最大壓力的情況下進(jìn)行切削時(shí)，必須使用大夾持力刀具夾頭。工件材料并不重要，因?yàn)椴牧显杰洠庸に俣染驮娇臁Ｒ虼耍踔猎谇邢麂X時(shí)，也可能引起很大的切削力，因?yàn)樗玫那邢魉俣瓤赡芨哌_(dá)切削鋼時(shí)的4倍。

　　雄克公司的Jeff Keith認(rèn)為，當(dāng)?shù)毒邐A頭在切削壓力下提供了足夠的夾持力時(shí)，人們并不會給予它們太多好評——但當(dāng)?shù)毒甙l(fā)生滑移或折斷時(shí)，人們可能就會把責(zé)任歸咎于刀具夾頭。其實(shí)，問題的根源往往來自于其他方面，如刀具切削刃鈍化、刀具柄部尺寸超差、刀具插入夾頭的方式不正確、工件夾緊不良，或者使用了一臺主軸精度變差或功率不足的老式機(jī)床。

　　Keith補(bǔ)充說，“如今的機(jī)床重量較輕、剛性較差，而且其主軸電機(jī)和運(yùn)動軸驅(qū)動電機(jī)比較小。這就使加工方式發(fā)生了變化，從采用最大切削深度和寬度以及較小的進(jìn)給率，變?yōu)椴捎幂^小的切削深度和寬度以及較大的進(jìn)給率。”從好的方面來看，這種加工方式往往意味著，與過去相比，如今刀具夾頭產(chǎn)生的夾緊力大小已變得不那么重要。

　　但是，刀具夾頭的選擇仍然至關(guān)重要，而且，關(guān)于哪種類型的夾頭可以提供大夾持力，同時(shí)對于某種加工具有最佳總體效益也存在一些爭議。對于各種不同類型的大功率切削加工，機(jī)械式夾頭、熱裝式夾頭乃至液壓式夾頭都具有各自的優(yōu)勢。

　　通常，需要在夾緊力與其他一些有利因素(如較小的徑跳、振動和較低的成本)之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。考慮一下基本的立銑刀夾頭，這種夾頭采用側(cè)面緊固螺釘與刀具柄部的平面接觸，實(shí)現(xiàn)夾緊。Big Kaiser公司的Jack Burley認(rèn)為，為了在許多加工中實(shí)現(xiàn)可靠的刀具夾持，目前還沒有比這種傳統(tǒng)的、“廉價(jià)”的解決方案更好的夾持方法。但是，用戶在切削時(shí)可能要犧牲一部分剛性和穩(wěn)定性。

　　依靠摩擦力來保持夾持力的高端刀具夾頭(如熱裝式夾頭)已相當(dāng)流行，但是，這些刀具夾頭也各有利弊。熱裝式夾頭的性能取決于刀具與夾頭都有合適的尺寸精度，以及包圍刀具柄部的熱膨脹孔具有適當(dāng)?shù)氖湛s量。此外，與傳統(tǒng)的彈簧夾頭類似，熱裝夾頭也沒有保證刀具正確到位的強(qiáng)制鎖緊機(jī)構(gòu)。

　　Big Kaiser公司對各種類型刀具夾頭夾持粗加工立銑刀的有效性進(jìn)行了對比評估，結(jié)果表明，機(jī)械式銑夾頭可以提供最大的夾緊力，同時(shí)還能提供防止刀具拉脫的安全性和良好的平衡，并能覆蓋一定范圍的刀柄直徑尺寸。

　　Lyndex-Nikken公司的Preben Hansen指出，銑夾頭可以提供很大的機(jī)械夾持扭矩，“當(dāng)人們對夾持扭矩有較高要求時(shí)，首先應(yīng)該考慮采用銑夾頭。”在實(shí)際應(yīng)用中，該公司Ultra Lock銑夾頭提供的夾持扭矩至少是液壓式夾頭和熱裝式夾頭的5倍，隨著夾頭尺寸的增大，其夾持扭矩也將成倍增大。

　　盡管該公司也提供熱裝式夾頭，但Hansen提醒用戶注意熱裝孔尺寸精度的差異，不同供應(yīng)商提供的夾頭可能精度各不相同。良好的熱裝孔尺寸精度對于在整個(gè)夾持直徑范圍內(nèi)獲得最大夾持力至關(guān)重要。

　　但是，熱裝式夾頭的夾持力通常要大于足以完成一次加工的水平。Techniks公司的John Stagge表示，任何刀具夾頭可以提供的夾持力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于完成一次加工所必需的夾持力，“在切削加工行業(yè)，刀具滑移并不一定是一個(gè)大問題;關(guān)鍵是要采用合適的夾頭來夾持刀具。歸根結(jié)底，對于切削來說，真正重要的是夾頭的剛性和精度。”

　　Stagge強(qiáng)調(diào)，刀具夾頭的性能不能在一種“不真實(shí)”的實(shí)驗(yàn)室條件下測試評估。當(dāng)?shù)毒邐A頭安裝到真實(shí)的主軸上時(shí)，會產(chǎn)生不同的撓曲變形(取決于采用的切削速度和進(jìn)給量)。變形小則表明刀具夾頭的剛性好。

　　Stagge認(rèn)為，熱裝式夾頭可以提供最佳總體性能。該公司的扭矩測試顯示了熱裝夾頭在夾持直徑19mm刀具時(shí)出色的夾持能力。在切削中，夾頭良好的剛性確實(shí)有助于提高刀具壽命和加工質(zhì)量。在較高的進(jìn)給量和切削速度下，與銑夾頭相比，熱裝夾頭可使刀具壽命延長6-8倍。

　　T. M. Smith刀具國際公司設(shè)計(jì)經(jīng)理Tom Wagner表示，用熱裝夾頭夾持硬質(zhì)合金刀具，可以實(shí)現(xiàn)其效能的最大化，這是因?yàn)橛操|(zhì)合金刀具與夾頭材料(H13鋼)的熱膨脹率不同。在夾持高速工具鋼刀柄時(shí)，熱縮裝刀機(jī)必須能在很短時(shí)間內(nèi)將夾頭加熱到很高溫度，從而使夾頭孔能在刀具柄部與它一起膨脹之前張開。而夾持尺寸精度為H6級的硬質(zhì)合金刀柄時(shí)，最佳夾持力會使刀柄能在夾頭中轉(zhuǎn)動之前就使其脫離。

　　在自動化加工中，熱裝式夾頭的應(yīng)用日益普及。Wagner認(rèn)為，部分原因與這種刀具夾頭的簡便性和一致性有關(guān)。使用熱裝夾頭可以減輕維護(hù)負(fù)擔(dān)，因?yàn)闊嵫b夾頭是一個(gè)整體。與此相反，其他一些刀具夾頭(如基本型的彈簧夾頭)則由多個(gè)零部件構(gòu)成，需要用螺母和扳手進(jìn)行緊固。因此，彈簧夾頭的裝夾狀態(tài)可能會因人而異;而熱縮裝刀機(jī)沒有運(yùn)動部件，可以利用自動裝刀測量裝置一次完成刀具裝夾，以保證每把刀具裝夾位置的一致性。

　　經(jīng)過改進(jìn)的新型彈簧夾頭確實(shí)具有某些優(yōu)勢。瑞士Rego-Fix公司工程師David McHenry介紹說，該公司的powRgrip夾持系統(tǒng)利用機(jī)械壓力來產(chǎn)生均勻一致的強(qiáng)大夾持力。與熱裝式夾頭相比，這種內(nèi)壓式彈簧夾頭具有更好的可控性。采用該夾頭能夠避免因不正確使用熱裝夾頭(如因過度加熱而導(dǎo)致刀具退火)而可能造成的夾頭或刀具損壞。因?yàn)橛脩粼趯⒌毒邏喝霃椈蓨A頭時(shí)，可以控制夾頭的變形量。此外，如有需要，powRgrip夾頭還能對刀具產(chǎn)生額外的夾持力。

　　為了滿足航空制造業(yè)粗加工去除大量鋁合金毛坯的需求，powRgrip夾持系統(tǒng)的規(guī)格已擴(kuò)大到適合夾持直徑25.4mm的刀具。McHenry補(bǔ)充說，其他一些加工行業(yè)也正在敦促刀具夾頭專家——特別是刀具和機(jī)床制造商——進(jìn)一步拓展刀具夾頭適用的切削速度范圍。“powRgrip是一種定位于中等切削速度的刀具夾頭，我們正在研究該夾頭在高速加工機(jī)床上的正常使用時(shí)間和刀具壽命。”

　　按照傳統(tǒng)加工理論，液壓式刀具夾頭只適合用于小功率切削加工。由于擔(dān)心這種夾頭在使用時(shí)夾持力不足或喪失液壓夾持壓力，人們通常將其用于切削負(fù)荷較小的鉸削加工(如在汽車制造業(yè)鉸削鑄件孔)。

　　雄克公司可以提供多種類型的刀具夾頭，但尤以生產(chǎn)液壓式夾頭著稱，該公司的Jeff Keith指出，液壓式夾頭確實(shí)無法產(chǎn)生與機(jī)械式夾頭或熱裝式夾頭同等水平的夾持力，但是，液壓式夾頭能以非常均勻的夾持力與被夾持刀具柄部圓周360°完全接觸，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的徑跳精度和總體切削性能。此外，通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了液壓夾頭的剛性，從而允許在加工中采用更大的切削深度、切削寬度和/或機(jī)床工作臺進(jìn)給速度。

　　液壓式夾頭的另一個(gè)重要優(yōu)勢是具有消振作用。Keith說，“就像汽車上的減震器可以減小路面凹凸不平造成的沖擊一樣，液壓夾頭中的液體也能減小加工過程中切削振動的影響，從而提高加工表面光潔度、尺寸精度和刀具壽命。我們認(rèn)為，在如今的刀具夾頭技術(shù)中，最佳選擇是將適當(dāng)?shù)?而不是最大的)夾持力與工件加工精度和較長刀具壽命結(jié)合起來。”

　　刀具制造商都很了解在嚴(yán)苛的切削條件下刀具夾頭的重要性。三菱材料美國公司的整體硬質(zhì)合金立銑刀專家Mark Menconi表示，采用優(yōu)質(zhì)刀具進(jìn)行切削時(shí)，刀具夾頭對于加工的成功起到了很大作用。一個(gè)出色的夾頭可以夾持一組刀具，為高檔刀具優(yōu)化切削性能提供了最佳機(jī)會。三菱公司與熱裝夾頭和其他夾頭專家合作，對硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行性能優(yōu)化。Menconi說，“我認(rèn)為，熱裝夾頭系統(tǒng)與三菱的刀具配合得非常好，這種夾頭與刀具接觸面積較大，可以確保最佳夾持性能。”

　　Emuge公司螺紋銑削加工經(jīng)理Mark Hatch說，螺紋銑削加工顯示了某種刀具是如何產(chǎn)生各種不同的切削力，從而對刀具夾頭的剛性提出很高要求的。在螺紋銑削加工中，工具系統(tǒng)會同時(shí)遇到不同的切削力：機(jī)床在X和Y方向循環(huán)運(yùn)動產(chǎn)生的切削力，以及銑制螺紋的Z軸切削力。因此，在銑削螺紋時(shí)，不僅會產(chǎn)生徑向壓力，而且存在軸向力。徑向壓力往往會對工具系統(tǒng)造成最多的問題，其中，夾持力不足引起的最常見問題是螺紋從頂?shù)降壮尸F(xiàn)錐形。另一個(gè)問題是因撓曲力引起的刀具提前失效(大多數(shù)情況是切削刃崩刃)。

　　市場對更大螺紋長度(到2倍直徑)的需求使問題進(jìn)一步復(fù)雜化，立銑刀通常只能加工長徑比(L/D)1-1.5的螺紋。此外，螺紋銑削通常都用于加工高強(qiáng)韌材料(如用于航空、石油鉆探和醫(yī)療行業(yè)的各種合金材料)，這種高強(qiáng)度材料加上大長徑比，對刀具夾頭的剛性提出了很高的要求。

　　通常，許多螺紋銑削加工都采用ER彈簧夾頭和直柄(而不是扁平柄)刀具。直柄很適合熱裝夾頭夾持，而ER彈簧夾頭的徑向剛度比較差，此外，ER彈簧夾頭在承載情況下徑跳誤差較大，因此容易造成螺紋錐形、刀具破損和刀具壽命縮短。Hatch說，Emuge的螺紋銑刀在柄部增加了一個(gè)平面，使其可以用于具有側(cè)面鎖緊螺釘?shù)某Ｒ?guī)立銑刀夾頭，目前大多數(shù)加工車間已經(jīng)有這些夾頭。

　　Emuge公司也是Rego-Fix公司powRgrip螺紋銑削專用夾頭技術(shù)的特許供應(yīng)商。采用這種夾頭，可以獲得與熱裝夾頭大致相當(dāng)?shù)膴A持力。該夾頭的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它具有彈簧夾頭特有的抗振特性。這種特性對于螺紋銑削尤其重要，因?yàn)槁菁y銑削是一種周期性振動的切削過程，刀具可能會陷入諧振狀態(tài)，從而引起螺紋表面光潔度變差和刀具磨損加快。

　　工具系統(tǒng)研發(fā)人員在優(yōu)化新的切削策略(如大進(jìn)給銑削策略)時(shí)，也必須考慮刀具/刀具夾頭的作用力。山高刀具公司的Bob Goulding介紹說，大進(jìn)給銑削不會像常規(guī)銑削那樣對工具系統(tǒng)施加很大的側(cè)向(徑向)力。大進(jìn)給銑削最初是作為一種加工模具型腔的工藝方法開發(fā)出來的，但現(xiàn)在，該方法正好契合了整個(gè)切削加工行業(yè)降低機(jī)床功率消耗的發(fā)展趨勢。Goulding說，“由于刀具的設(shè)計(jì)方式，它能以很小的切深產(chǎn)生非常薄的切屑，因此可以采用非常高的進(jìn)給率進(jìn)行加工。它產(chǎn)生的切削力沿軸向傳回主軸之中，而不是像傳統(tǒng)銑削那樣產(chǎn)生徑向切削力。”側(cè)向力的降低可以減小徑跳誤差，提高加工表面質(zhì)量。

　　大進(jìn)給銑削策略可以適用于剛性較差的主軸，并有可能使用低成本的刀具夾頭(如普通的側(cè)面鎖緊夾頭)。液壓夾頭(如山高公司的AccuFit夾頭)也能減小刀具切削刃的徑跳誤差，從而起到補(bǔ)償?shù)毒吣p、延長刀具壽命的效果。