数控机床的自动换刀装置设计

141第六章数控机床的自动换刀装置第一节自动换刀装置的形式数控机床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，以缩短辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。数控车床上的回转刀架就是一种简单的自动换刀装置，所不同的是在多工序数控机床出现之后，逐步发展和完善了各类回转刀具的自动换刀装置，扩大了换刀数量，从而能实现更为复杂的换刀操作。在自动换刀数控机床上，对自动换刀装置的基本要求是：换刀时间短，刀具重复定位精度高，有足够的刀具存储量，刀库占地面积小及安全可靠等。各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的形式、工艺范围及其刀具的种类和数量。其基本类型有以下几种。一、转刀架换刀回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，常用于数控车床。可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.001～0.005mm）。一般情况下，回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等。回转刀架按其工作原理分为若干类型，如图6-1所示。图6-1a)所示为螺母升降转位刀架，电动机经弹簧安全离合器到蜗轮副带动螺母旋转，螺母举起刀架使上齿盘与下齿盘分离，随即带动刀架旋转到142位，然后给系统发信号螺母反转锁紧。n凸轮转位合开摆动阀芯液压缸拔爪棘轮棘爪电动机下齿盘上齿盘凸轮刀架销钉销钉刀架弹簧安全离合器蜗轮副螺母下齿盘上齿盘电动机端齿盘定位刀架内装信号盘(e)(d)(c)(b)(a)图6-1回转刀架的类型及其工作原理图6-1b)所示为利用十字槽轮来转位及锁紧刀架（还要加定位销），销钉每转一周，刀架便转1/4转（也可设计成六工位等）。图6-1c)所示为凸台棘爪式刀架，蜗轮带动下凸轮台相对于上凸轮台转动，使其上、下端齿盘分离，继续旋转，则棘轮机构推动刀架转90º，然后利用一个接触开关或霍尔元件发出电动机反转信号，重新锁紧刀架。图6-1d)所示为电磁式刀架，它利用了一个有10kN左右拉紧力的线圈使刀架定位锁定。图6-1e)所示为液压式刀架，它利用摆动液压缸来控制刀架转位，图中有摆动阀芯、拨爪、小液压缸；拨爪带动刀架转位，小液压缸向下拉紧，产生10kN以上的拉紧力。这种刀架的特点是转位可靠，拉紧力可以再加大，但其缺点是液压件难制造，还需多一套液压系统，有液压油泄漏及发热问题。图6-2所示为数控车床的六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。这种刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，其换刀过143程如下：（1）刀架抬起。当数控装置发出换刀指令后，压力油由A进入压紧液压缸的下腔，活塞上升，刀架体抬起，使定位活动插销与固定插销脱离。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮结合。AAC-CCCB-BDBA活塞刀架体缸体压盘齿轮活塞杆固定插销齿条活动插销拉杆触头活塞齿条活塞杆AACBB图6-2数控车床的六角回转刀架（2）刀架转位。当刀架抬起之后，压力油从C孔转入液压缸左腔，活塞向右移动，通过连接板带动齿条移动，使空套齿轮作逆时针方向转动，通过端齿离合器使刀架转过60º。活塞的行程应等于齿轮节圆周长的1/6，并由限位开关控制。（3）刀架压紧。刀架转位之后，压力油从B孔进入压紧液压缸的上腔，活塞带动刀架体下降。缸体的底盘上精确地安装六个带斜楔的圆柱固定插销，144利用活动插销消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。刀架体下降时，定位活动插销与另一个固定插销卡紧，同时缸体与压盘的锥面接触，刀架在新的位置定位并压紧。这时，端齿离合器与空套齿轮脱开。（4）转位液压缸复位。刀架压紧后，压力油从D孔进入转位油缸右腔，活塞带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮在轴上空转。如果定位和压紧动作正常，拉杆与相应的接触头接触，发出信号表示换刀过程已结束，可以继续进行切削加工。回转刀架除了采用液压缸驱动转位和定位销定位外，还可以采用电动机-马氏机构转位和鼠盘定位，以及其它转位和定位机构。二、换主轴换刀更换主轴换刀是带有旋转刀具的数控机床的一种比较简单的换刀方式。这种主轴头实际上就是一个转塔刀库，如图6-3所示。主轴头有卧式和立式两种，通常用转塔的转位来更换主轴头，以实现自动换刀。在转塔的各个主轴上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具，当发出换刀指令时，各主轴头依次地转到加工位置，并接通主运动，使相应的主轴带动刀具旋转。而其它处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。这种更换主轴换刀装置，省去了自动松、夹、卸刀、装刀以及刀具搬运等一系列的复杂操作，从而缩短了换刀时间，并提高了换刀的可靠性。但是由于空间位置的限制，使主轴部件结构尺寸不能太大，因而影响了主轴系统的刚性。为了保证主轴的刚性，必须限制主轴的数目，否则会使结构尺寸增大。因此，转塔主轴头通常只适用于工序较少、精度要求不太高的机床，例图6-3换主轴换刀145如数控钻、铣床等。ⅠⅡ12109345867图6-4更换主轴箱换刀三、更换主轴箱换刀有的数控机床像组合机床一样，采用多主轴箱，利用更换主轴箱达到换刀的目的，如图6-4所示。主轴箱库8吊挂着备用主轴箱2～7。主轴箱两端的导轨上，装有同步运行的小车Ⅰ和Ⅱ，它们在主轴箱库与机床动力头之间运送主轴箱。根据加工要求，先选好所需的主轴箱，待两小车运行至该主轴箱处时，将它推到小车Ⅰ上，小车Ⅰ载着主轴箱与小车Ⅱ同时运动到机床动力头两侧的更换位置。当上一道工序完成后，动力头带着主轴箱1上升到更换位置，夹紧机构将主轴箱1松开，定位销从定位孔中拨出，推杆机构将主轴箱1推到小车Ⅱ上，同时又将小车Ⅰ上的待用主轴箱推到机床动力头上，并进行定位夹紧。与此同时，两小车返回主轴箱库，停在下次待换的主轴箱旁的空位。也可通过机械手10在刀库9和主轴箱1之间进行刀具交换。这种换刀形式，对于加工箱体类零件，可以提高生产率。146四、带刀库的自动换刀系统此类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换机构及刀具在主轴上的自动装卸机构等四部分组成，应用最广泛。图6-5所示为刀库装在机床的工作台（或立柱）上的数控机床的外观图。立柱主轴箱机械手刀库主轴箱主轴刀具工件刀库图6-5刀库与机床为整体式的数控机床图6-6刀库与机床为分体式的数控机床图6-6所示为刀库装在机床之外，成为一个独立部件的数控机床的外观图。此时，刀库容量大，刀具可以较重，常常要附加运输装置来完成刀库与主轴之间刀具的运输。带刀库的自动换刀系统,整个换刀过程比较复杂。首先要把加工过程中要用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上,在机床外进行尺寸预调整后,插入刀库中。换刀时根据选刀指令在刀库上选刀，由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，进行刀具交换，然后将新刀具装入主轴，将用过的刀放回刀库。采用这种自动换刀系统，需要增加刀具的自动夹紧、放松机构、刀库运动及定位机构，常常还需要有清洁刀柄及刀孔、刀座的装置，因而结构较复杂。其换刀过程动作多、换刀时间长。同时，影响换刀工作可靠性的因素也较多。为了缩短换刀时间，可采用带刀库的双主轴或多主轴换刀系统，如图6-7所示。由图可知，当水平方向的主轴在加工位置时，待更换刀具的主轴处于147工件转塔头机械手刀库图6-7双主轴头换刀刀换刀位置，由刀具交换装置预先换刀，待本工序加工完毕后，转塔头回转并交换主轴（即换刀）。这种换刀方式，换刀时间大部分和机加工时间重合，只需转塔头转位的时间，所以换刀时间短，转塔头上的主轴数目较少，有利于提高主轴的结构刚度，刀库上刀具数目也可增加，对多工序加工有利。但这种换刀方式难保证精镗加工所需要的主轴精度。因此，这种换刀方式主要用于钻床，也可以用于铣镗床和数控组合机床。第二节刀库一、刀库的功能在自动换刀装置中，刀库是最主要的部件之一。刀库是用来贮存加工刀具及辅助工具的地方。其容量、布局以及具体结构，对数控机床的设计都有很大影响。二、刀库的形式根据刀库的容量和取刀的方式，可以将刀库设计成各种形式。常见的形式有如下几种。（一）直线刀库刀具在刀库中是直线排列，如图6-8a）所示。其结构简单，刀库容量小，一般可容纳8～12把刀具，故较少使用。此形式多见于自动换刀数控车床，在数控钻床上也采用过此形式。（二）圆盘刀具此形式存刀具少则6～8把，多则50～60把，其中有多种形式。（1）如图6-8b）所示的刀库中，刀具径向布局，占有较大空间，刀库148位置受限制，一般置于机床立柱上端，其换刀时间较短，使整个换刀装置较简单。（2）如图6-8c）所示的刀库中，刀具轴向布局，常置于主轴侧面。刀库轴心线可垂直放置，也可以水平放置，此种形式使用较多。（3）如图6-8d）所示的刀库中，刀具与刀库轴心线成一定角度（小于90º）呈伞状布置，这可根据机床的总体布局要求安排刀库的位置，多斜放于立柱上端，刀库容量不宜过大。上述三种圆盘刀库是较常用的形式，其存刀量最多为50～60把，存刀量过多，则结构尺寸庞大，与机床布局不协调。为进一步扩大存刀量，有的机床使用多圈分布刀具的圆盘刀库，如图6-8e）所示；多层圆盘刀库，如图6-8f）所示；多排圆盘刀库，如图6-8g）所示。多排圆盘刀库每排4把刀，可整排更换。后三种刀库形式使用较少。(k)(j)(g)(f)(e)A(d)(c)(b)(a)A向(h)(i)图6-8刀库的各种形式149（三）链式刀库链式刀库是较常用的形式。这种刀库刀座固定在环形链节上。常用的有单排链式刀库，如图6-8h）所示。这种刀库使用加长链条，让链条折叠回绕可提高空间利用率，进一步增加存刀量，如图6-8i）所示。链式刀库结构紧凑，刀库容量大，链环的形状可根据机床的布局制成各种形状。同时也可以将换刀位突出以便于换刀。在一定范围内，需要增加刀具数量时，可增加链条的长度，而不增加链轮直径。因此，链轮的圆周速度（链条线速度）可不增加，刀库运动惯量的增加可不予考虑。这些为系列刀库的设计与制造提供了很多方便。一般当刀具数量在30～120把时，多采用链式刀库。（四）其它刀库刀库的形式还有很多,值得一提的是格子箱式刀库。图6-8j）所示的为单面式，由于布局不灵活，通常刀库安置在工作台上，应用较少。图6-8k）所示的为多面式，为减少换刀时间，换刀机械手通常利用前一把刀具加工工件的时间，预先取出要更换的刀具（所配数控系统应具备该项功能）。该刀库占地面积小，结构紧凑，在相同的空间内可以容纳的刀具数目较多。但由于它的选刀和取刀动作复杂，现已较少用于单机加工中心，多用于FMS（柔性制造系统）的集中供刀系统。三、刀库的容量刀库中的刀具并不是越多越好，太大的容量会增加刀库的尺寸和占地面积，使选刀时间增长。刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要。根据以钻、铣为主的立式加工中心所需刀具数的统计，绘制出图6-9所示的曲线。曲线表明，用10把孔5100O806040201015202530铣削车削钻削可加工工件工艺比率(%)刀具数图6-9加工工件与刀具数量的关系150加工刀具可完成70%的钻削工艺，四把铣刀可完成90%的铣削工艺。据此可以看出，用14把刀具就可以完成70%以上的钻铣加工。若是从完成对被加工工件的全部工序进行统计，得到的结果是，大部分（超过80%）的工件完成全部加工过程只需40把刀具就够了。因此，从使用角度出发，刀库的容量一般取为10～40把，盲目地加大刀库容量，将会使刀库的利用率降低，结构过于复杂，造成很大浪费。第三节刀具系统及刀具选择一、刀具系统数控机床所用的刀具，虽不是机床体的组成部分，但它是机床实现切削功能不可分割的部分，提高数控机床的利用率和生产效率，刀具是一个十分关键的因素，应选用适应高速切削的刀具材料和使用可转位刀片。为使刀具在机床上迅速地定位夹紧，数控机床普遍使用标准的刀具系统。数控车床、加工中心等带有自动换刀装置的机床所用的刀具，刀具与主轴连接部分和切削刃具部分都已标准化