CNC加工中心在過去的30年間得到了持續(xù)改進和發(fā)展。如今這些機床的設計充分體現(xiàn)了柔性化，通過很小的結構變化，就能夠應用于從短期工具制造到長期產(chǎn)品生產(chǎn)的各種加工場合。過去曾采用焊接或鉚接裝配的飛機零部件，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)動機過去幾乎*由的傳送流水線進行生產(chǎn)，如今則趨于用加工中心進行敏捷制造。這些加工中心都有一個基本特點：能夠自動更換工具而無需操作者干預。
　　
　　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準連接。它的工作方式與一個可調(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準制造，這些標準過去25年間在世界范圍內(nèi)得到了發(fā)展。總的來說，這些標準的制定比較完備，只要主軸和工具夾頭都符合標準規(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準結構，也由于它相對于機床主體而言創(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”（標準化產(chǎn)品）。從今天在市場競爭中打拼獲得成功的工具夾頭制造商的數(shù)量來看，也很容易得出這一結論。但是一些終端用戶并不認同“商品”的概念。確實，某種類型的所有工具夾頭看似相像，但肯定不會*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)別常常在于關鍵尺寸上極微小的差異。同樣，一個高精度工具夾頭的不同之處也取決于所采用的制造公差。
　　
　　評價指標1：同心度
　　
　　切削刀具的回轉(zhuǎn)軸線必須與機床主軸的回轉(zhuǎn)軸線一致。實現(xiàn)近于的同心度的方法雖然很明確，但也很復雜。
　　
　　首先，將工具夾頭的錐柄裝入對應的主軸錐孔時，每一次都必須非常。為此，配合表面的錐角公差必須很小。這些公差由國家或標準委員會制定和頒布，一般可供任何人查閱。制造完成的工具夾頭要用量規(guī)檢測其圓度和錐角，而這些量規(guī)則由實物基準規(guī)來標定。生產(chǎn)現(xiàn)場采用的測量方法各不相同，從實物接觸機械式測量、實物接觸/電子模擬量測量到非接觸模擬量測量（如氣動量規(guī)）。所有這些行之有效的方法都有一個共同特點：都要用實物基準規(guī)來標定。
　　
　　不同工具夾頭制造商的基準規(guī)之間存在明顯的差異。這一肯定的判斷是基于多年來對不同制造商的工具夾頭產(chǎn)品進行成百上千次測量的結果。簡言之，它們的確不同。即使假定市場銷售的所有工具夾頭均與它們各自對應制造商的基準規(guī)相符，但不同的制造商采用的基準規(guī)卻并不相同。隨之產(chǎn)生了一個問題：不同制造商的工具夾頭與機床主軸的適配性也不盡相同。其原因很簡單：沒有標定標準錐度的“母基準規(guī)”。雖然位于馬里蘭州的美國國家標準和技術研究所（NIST）和一些高水平計量實驗室（如位于俄亥俄州的Timken公司實驗室）具備了在確定環(huán)境條件下采用具有適配精度的回轉(zhuǎn)工作臺測量錐度的能力，但沒有單一基準實物量規(guī)能夠方便地檢定其它具有相同尺寸和錐度的實物量規(guī)。可以理解，在沒有單一基準源或可供所有量規(guī)溯源的基準規(guī)的情況下，市場上不同廠家的產(chǎn)品與標準規(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。下面作進一步分析。
　　
　　現(xiàn)在討論的仍是使工具與主軸中心線同心的問題。即使主軸適配性混亂的問題很快得到解決，問題也會轉(zhuǎn)向工具夾頭的業(yè)務終端：由于目前還沒有錐度基準的國家標準或標準，因此工具夾頭的終端用戶更有理由對產(chǎn)品失去信心。或各國標準化組織（如ISO、ANSI、JIS、DIN等）已對主軸與工具夾頭的錐度適配性和工具更換功能作出了相應規(guī)定。但另一方面，切削刀具與工具夾頭的適配性則取決于工具夾頭制造商，他們自行設定立銑刀夾頭的內(nèi)徑公差、套筒夾頭的錐角公差以及套式銑刀軸的端面垂直度等，他們還自行制定工具夾頭的夾持部與連接機床主軸的錐柄的同心度。這樣，只有工具夾頭制造商能給他們自己的機床配備夾具，以機床主軸的接口面作為參照面，加工出適配的錐柄工作表面。
　　
　　在結束關于同心度的討論之前，還必須考慮一個更具普遍性的變數(shù)——制造商本身是否具有不僅能生產(chǎn)產(chǎn)品，而且能始終如一地長期生產(chǎn)產(chǎn)品的能力。在任何制造業(yè)中，不同制造廠商具備的能日復一日長期制造高質(zhì)量產(chǎn)品的能力都不盡相同。在你自己的業(yè)務范圍內(nèi)，你總能列舉出好的和不太好的競爭對手及供應商的名字。通常在每個市場中總有一個，而好的制造商都會努力爭取獲得這種地位。
　　
　　總之，對于工具夾頭的首要質(zhì)量指標——同心度而言，*有理由相信，由不同制造商生產(chǎn)的工具夾頭可能因計量檢測、產(chǎn)品標準、公差及制造能力不同而存在質(zhì)量差異。
　　
　　評價指標2：夾持強度
　　
　　絕大多數(shù)工具夾頭都按照標準制造，具有非常相似的外觀。CAT、BT或HSK系統(tǒng)都是側(cè)面鎖緊式立銑夾頭，可利用一個緊固螺釘頂緊刀具上的一個平面，以防止刀具松動。它們可以使用標準夾套，使夾頭在夾持不同直徑刀具時具有更好的適配性，也可以專門用于夾持螺紋刀具或莫氏錐柄鉆頭，此外還有其它功能。事實上，每個CNC工具夾頭制造商都在努力提供適用于大多數(shù)切削刀具和機床主軸的解決方案。
　　
　　夾持力是防止刀具在夾頭中轉(zhuǎn)動的能力。使用夾套是引起夾持力變化的主要原因。通常應單角夾套，如ER和TG系列產(chǎn)品。單角夾套能施加更大的夾持力，并能保證*的同心度。但像工具夾頭一樣，不同制造商生產(chǎn)的夾套之間也有很大差異。為使由夾頭、夾套和刀具構成的組件能獲得盡可能好的同心度，必須采用量具或高精度刀具預調(diào)儀來測量同心度。為了獲得夾持力與同心度的*組合，應采用液壓夾頭或熱縮夾頭，這樣可以*不必使用夾套。
　　
　　一些制造商仍可提供用于加工場合的重載套筒夾頭和立銑夾頭。但是，除了液壓和熱縮技術可能有所不同外，大多數(shù)制造商都在復制彼此的產(chǎn)品系列，因此市場上的工具夾頭產(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論：差異在于制造商的檢測方式、企業(yè)標準、公差大小以及——zui重要的——制造能力的不同。總而言之，各種工具夾頭不可能*相同。
　　
　　評價指標3：檢測
　　
　　這里有一個可說明工具夾頭檢測差異的例子：6年前，COMMANDTOOLINGSYSTEMS公司開始按照HSK標準生產(chǎn)工具夾頭，首先購買了所需的量具。獲得量具后經(jīng)過測量比對，發(fā)現(xiàn)不少競爭對手（當時大部分為歐洲制造商）生產(chǎn)的HSK工具夾頭與我們從德國獲得的基準量規(guī)相比變化范圍相當大。結果令人吃驚：所檢測的產(chǎn)品沒有一件位于公差范圍之內(nèi)。為了確保檢測結果正確，我們又從德國另一家量規(guī)制造商處購買了一個新的基準量規(guī)。令人吃驚的是，這兩個量規(guī)*一致，區(qū)別僅在于制造方法不同。制造符合HSK標準的工具夾頭畢竟不是在公園里散步，因此應該得到更好的檢測結果。
　　
　　每一個被加工產(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，上述事例并不否認被檢測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)品就未達到相關標準，則夾頭制造商對于夾頭嚴重偏離標準的情況也無能無力。
　　
　　評價指標4：平衡
　　
　　如今銷售的越來越多的加工中心配備了設計zui高轉(zhuǎn)速達10000rpm或更高的主軸。用于這些機床的刀具不但必須具有很好的同心度和高強度，而且必須與主軸一樣進行精細的平衡，否則將會產(chǎn)生有害的振動而引起震顫，從而降低加工表面光潔度，縮短刀具壽命。在不平衡量很大的情況下，還可能造成主軸損壞。近年來已有不少文獻對工具夾頭的平衡問題進行了探討，在此無需重復。但其中很重要的一點是，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時產(chǎn)生的力可忽略不計的話，轉(zhuǎn)速10000rpm時產(chǎn)生的力則是其100倍，20000rpm時的力則是其400倍。因此，在主軸轉(zhuǎn)速不斷提高的情況下，要求具有*的同心度顯得更為重要，因為如果刀具回轉(zhuǎn)偏離了主軸中心線，它將成為附加不平衡量的一個主要來源。
　　
　　工具夾頭的不平衡通常來源于功能性設計，如立銑夾頭中的鎖緊螺釘或CAT夾頭中傳動槽的深度不等。但由于許多原因，不平衡量的產(chǎn)生常常是隨機性的。無論不平衡源于何處，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，用戶可通過調(diào)整徑向螺釘或平衡環(huán)來消除不平衡。在此情況下，需要確定工具夾頭不平衡的位置和大小，而這就需要使用復雜的平衡檢測儀。在某些情況下，車間使用來源可靠的、經(jīng)過預平衡的工具夾頭，并配套使用高質(zhì)量的切削刀具，與購買和使用動平衡儀相比，這樣性價比更高。
　　
　　不可忽視工具夾頭
　　
　　許多事例表明，通過改善主軸適配性、同心度和平衡性能，可以降低加工難度。從事模具制造的GemTool公司通過簡單地將夾套系統(tǒng)由雙角設計更換為單角的DR20系列，改善了同心度和換刀重復性，使刀具壽命和加工精度都得到了提高。波音公司在加工復合材料儀表板時，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的彈簧夾頭設計了特殊的突出部，進一步提高了夾頭的平衡性和同心度。另一個明尼蘇達州的制造商用單點金剛石刀片對幾十萬個孔進行單點鏜孔加工，孔的公差僅為0.0003in.（0.007mm）。要通過多次自動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。
　　
　　在上述加工實例中，有些屬于加工條件，有些則不是（如更換夾套系列）。關鍵在于，如果沒有的主軸適配性、同心度和良好的動平衡，要在這種條件下完成加工實際上是不可能的。而將這些理念應用于車間的日常加工中也大有裨益。的主軸適配性可提高批量加工零件的重復精度，在生產(chǎn)過程中易于保證公差，從而降低加工成本。高的同心度可使刀具每齒切削負荷均衡，刀具壽命延長，從而減少刀具費用和輔助工時。良好的平衡能充分發(fā)揮機床的加工能力，提高工效，減少工時。
　　
　　希望降低加工過程可變性的精密制造商應認真考慮高質(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)效率的同時減少刀具費用和輔助工時。