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第十九章自动化加工用刀具19.1自动化加工对刀具的要求19.2自动化加工中刀具尺寸的补偿方法19.3自动化加工中的快速换刀装置与工具系统19.4自动化加工中的刀具管理系统19.1自动化加工对刀具的要求近20年来，数控机床（ComputerNumericalControl，简称CNC）、加工中心（MachiningControl，简称MC）、柔性制造单元（FlexibleManufacturingcell，简称FMC）和柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem,简称FMS）得到日益广泛应用，使机械制造面貌发生了很大的变化。自动化加工对刀具提出了下列新要求：1、高生产率2、高可靠性与长尺寸使用寿命3、可靠的断屑与排屑4、快速(自动)更换与尺寸预调5、刀具要标准化、系列化和通用化6、发展刀具管理系统7、有刀具磨损与破损在线监测系统19.2自动化加工中刀具尺寸的补偿方法19.2.1调整切削用量法目前在数控机床和加工中心中，常配备测头或其他尺寸的测量装置，以定期检测加工尺寸。如加工尺寸有变化，信息系统会直接发出控制指令，直接改变背吃刀量或进给量，保证加工尺寸不变。采用该法时，刀具或刀架不必增加尺寸补偿机构，使用简单易行，是经常采用的方法。19.2.2自动尺寸微调装置对加工内孔刀具，如镗孔刀等，刀具径向磨损将使加工孔径变化。镗孔直径不能由机床调整补偿，只能用有自动尺寸微调的镗刀来解决。现在生产中使用的自动微调镗刀有机械式和压电陶瓷式，前者用的较多。图19.1是一种自动微调镗刀结构。该镗刀用于加工中心，为锥柄结构。调整时推动调整杆2，使丝杠5转动一小角度。丝杠上有差动螺纹，丝杠转动使螺母4作微小位移，推动件8使下弹性板9做微小位移。镗刀夹固在刀座10上，刀座10和上弹性板6与下弹性板9相连，下弹性板9的微小位移带动镗刀做微小径向尺寸调整。19.2.3负刚度刀架法在自动机床和自动线中，长设计负刚度的刀架，在刀具磨损导致切削力增加时，刀尖反而前进，补偿刀具的径向磨损使加工尺寸的变化减小。但是，这种方法不易控制补偿量，在柔性自动化多品种生产时不能使用。19.3自动化加工中的快速换刀装置与工具系统19.3.1快速换刀装置为减少辅助时间，提高机床使用率，在自动化加工中需要快速换刀。更换刀具的基本方法有：换刀片，换刀具、换装好刀的刀夹或刀柄，或换装有刀具主轴箱。1、自动线中自动换刀装置自动线中各机床、工序使用的刀具固定，需要按预定的时间强制换刀，可更换刀片，也可更换刀具。图19.2是车刀刀片自动更换装置。该装置由油缸、刀片挤出机构和车刀刀体三部分组成。在刀库中的刀片借助于与油缸连接的推杆3将刀片向前推进，使排列在最前面的刀片处于工作位置，与此同时，已磨损的刀片被挤出刀体，从而完成了自动更换刀片。这种方法对刀片的要求较高，且刀片各方面均需磨制，成本较高。图19.3是自动线中自动换刀装置。刃磨好的车刀1放在刀库2中，到一定时间气缸将新刀推到工作位置代替已磨钝的车刀。这种换刀方式不适于在柔性自动化生产中使用。2、转塔头自动换刀装置转塔头自动换刀装置主要用在数控车床和车削加工中心。图19.4是车削加工中心用的卧轴转塔头自动换刀装置。根据数控指令指定刀具转到工作位置，并进给到要求尺寸进行切削。其缺点是转塔上装刀数量有限，有时不能满足加工需要。3、刀库与机械手自动换刀法镗削加工中心都配备机床刀库，刀库中存储着需要的各种刀具(从10多把刀到100多把不等)，利用机床与刀库的运动实现自动换刀，如图19.5所示。其过程如下：当前一把刀2加工完毕离开工件5，工作台快速右移，刀库1同时移到主轴下面；主轴箱4下移，将用过的刀具2插入刀库的空刀座中；主轴箱上升，刀库同时转位，将下一工步刀具对准主轴；主轴箱下降，将所需刀具插入主轴；主轴箱上升，工作台快速左移，刀库随着复位；主轴箱下降，刀具进行切削加工。现在常用刀库与机械手联合动作，有机械手将刀库中指定刀具换到机床主轴上，以提高换刀效率。如图19.6所示，加工中心上常用的几种刀库形式及换刀机械手示意图。圆盘刀库一般装刀数量不大，否则，直径将很大，影响机床的总体布局。链式刀库是在环形链条上装有刀座、刀座的孔中装夹各种刀具，其装刀数量较多。链式刀库有单排链式、多排链式、加长链式等多种结构，可根据要求的装刀数量来选择。机床上的换刀机械手可有多种不同结构，现在用得较多的是双头结构，一端从机床刀库中取出准备要用的刀具，另一端从机床主轴上取下已用过的刀具，机械手一旋转使两把刀互换位置，然后将用过的刀具装入机床刀库，另一端将要用的刀具装入机床主轴内。图19.7所示为机械手夹持刀具的情况。4、更换机床主轴头换刀在生产批量很大的FMS中，为了提高生产效率，采用更换机床主轴头的办法。5、用机器人换刀机床刀库的刀具数量是有限的，不能应付工件多变的加工需要。因此在FMS中有时采用可移动的机器人或自动运输小车来实现机床刀库和中央刀库间的换刀，这时可采用装刀数量较少的机床刀库。19.3.2自动化加工中刀具尺寸的预调刀具尺寸需要预调的有：车刀的径向尺寸(车圆)，或轴向尺寸(车端面和阶梯轴);镗孔刀的径向尺寸；钻头和铣刀的轴向尺寸等。钻头和立铣刀过去大多是锥柄结构，不能调整轴向尺寸。在自动化加工中改成直柄，使轴向尺寸可调整，如图(19.8a)。也可在锥柄外加一圆柱套，使轴向尺寸可调，如图(19.8b)。镗刀、孔加工刀具和铣刀的尺寸检测和预调一般都使用专用的调刀仪。调刀仪有光学式和电测式。最新的调刀仪与计算机相连，可将所测数据存入计算机，供FMS调用刀具时使用。19.3.3快速自动换刀用刀具结构1、自动化加工中的刀具结构特点⑴刀具结构允许快速自动换刀，便于用机械手、机械人或其他换刀机构抓取刀具。⑵刀具的径向尺寸或轴向尺寸允许预调，装上机床后不需要调整即可切出精确合格的加工尺寸。⑶刀柄或刀座有通用性，可换装多种不同的刀具。⑷有些刀具做成模块化组合式，要求组装后有很高的精度和刚度，能满足精密加工中心的加工精度(通常为5μm)的要求。⑸复合程度高，减少刀具品种、数量，减轻刀具管理难度。2、几种典型快换刀具结构⑴图19.9所示为自动线使用的能快速换刀的车刀结构。车刀1后端有螺钉2可调尺寸，车刀底部有槽，用楔块4向下向后压紧车刀。这种结构换刀方便，压紧可靠、定位准确，但是这种车刀是专用的，使用范围受到一定限制。⑵图19.10所示为镗铣加工中心用刀具锥柄，代号为JT，锥度7：24，带有机械手加持槽和定位缺口，锥柄后端有螺孔可装为自动夹固用的拉杆夹紧刀具。这种结构定位精度和刚度均很高，自动换刀方便，通用性好，已在MC和FMS中大量使用。⑶图19.11所示为两种镗铣加工中心用刀具组合模块的连接结构。为减少刀具品种，规格，发展了模块化组合刀具。图19.11（a）所示为短圆锥定位，中心用螺钉拉紧刀具。图19.11（b）为长圆锥定位，用螺钉钢球锁紧刀具。这种结构换刀方便，压紧可靠、定位准确，但是这种车刀是专用的，使用范围受到一定限制。⑷图19.12为车削加工中心用模块化快换刀具结构，它由刀具头部、连接部分和刀体组成。刀体内装有拉紧机构，通过拉杆来拉紧刀具头部(图19.12(a))。在拉紧过程中可使拉紧孔产生微小弹性变形，从而获得很高的精度和刚度，径向精度±2μm，轴向精度±5μm。在背吃刀量达10mm时，刀具径向和轴向变形均小于5μm；自动换刀时间仅为2s。这种刀体可装车、钻、镗、丝锥、检测头等多种工具，如图19.12（b）所示。⑸图19.13所示为另一种加工中心用端齿定位的快速换刀结构。切削头与刀体靠一对端齿块来定位并传递扭矩。夹固时，拉杆后移带动夹头，夹头可牢固地夹持住装在切削头尾部的拉杆而使切削头可靠地固定在刀体上。这种结构定位精度在±2μm以内。19.3.4自动化加工中的工具系统1、工具系统的发展背景在柔性自动化加工中每台加工中心要加工多种工件，并完成工件上多道工序的加工，因此需要使用的刀具品种规格甚多。如图19.14为车削加工中心加工某工件用刀具之情况，不仅需要很多车刀并且还需要很多铣刀。为了减少刀具的品种规格，今年发展了FMS和MC使用的工具系统。工具系统一般为模块化组合结构，在一个通用的刀柄上可以装多种不同的切削头，使自动化加工中的刀具品种规格大大减少。2、车削加工中心用工具系统车削加工中心使用的工具系统有不同的结构，如图19.12所示，可看到在通用刀柄上可以快速、可靠、精确地更换不同刀头，还可以换上测量工件加工尺寸的测量头。图19.13所示为另一种车削加工中心使用的工具系统的结构。3、镗铣加工中心用工具系统镗铣加工中心在生产中应用广泛，现在已经发展了不同结构的镗铣加工中心使用的工具系统。图19.15所示为其中一种工具系统结构。工具系统的刀柄都能自动快速夹固，刀柄、接杆、过渡刀柄和配套的刀具头要求有很高的制造精度，要求刀具组装后有很高的刚度和精度。19.4自动化加工中的刀具管理系统19.4.1自动化加工中刀具管理的重要性柔性自动化加工系统中，需要加工多种工件，因此刀具品种、规格繁多，仅靠加工中心或其他加工设备本省的刀库(机床刀库)，刀具容量远远不够，因此通常需要配备一个总刀库——中央刀库。据统计，一套5～8台加工中心组成的FMS，需配备的刀具数量在1000把以上。如此巨大的刀具量，有着大量的刀具信息。每把刀有两种信息：一是刀具描述信息，如刀具的尺寸规格、几何参数和刀具识别编码等；另一种是刀具状态信息(动态信息)，如刀具所在位置、刀具累计使用时间和剩余寿命、刀具刃磨次数等。在加工过程中大量刀具频繁在系统中交换和流动，加工中刀具磨损破损的监测和更换，刀具信息不断变化而形成一个动态过程。由于刀具信息量甚大，调动、管理复杂，因此需要一个现代化的自动刀具管理系统。在柔性制造系统中，刀具管理系统是一个很重要而且技术难度很大的部分。19.4.2刀具管理系统的基本功能1、刀具管理系统的基本任务刀具管理的目标主要是：⑴减少与刀具有关的调整与停机时间。⑵系统能识别刀具传输与有关刀具的数据。⑶刀具拥有量最小，通过刀具寿命管理，充分利用刀具，使刀具费用最低。柔性自动化生产系统中的刀具管理系统以FMS的自动刀具管理系统较为典型，它应完成如下任务：⑴保证每台机床有合适的、优质高效的刀具使用，保证不因缺刀而停机。⑵监控刀具的工作状态，必要时进行换刀处理。⑶安全、可靠并及时地运送刀具，尽量消灭因等刀而停机。⑷追踪系统内的刀具情况，包括刀具的静动态信息。⑸检查刀具的库存量，及时补充或购买刀具。2、刀具管理系统的基本功能根据刀具管理系统应完成的任务，刀具管理系统应具有如下功能：⑴搜集生产计划和刀具资源的原始资料数据；⑵制定出刀具管理、调配计划；⑶配备刀具管理系统所需的硬件装备；⑷开发刀具管理系统的各种软件和信息交换系统，实现刀具系统的自动化管理。图19.16所示为FMS刀具自动管理系统的基本功能，包括下述四方面内容：⑴原始资料数据，包括生产计划、班次作业计划与机床刀具资源数据等。⑵刀具管理系统的计划，包括：周期刀具需求计划、班次刀具需求计划、中央刀库和机床刀库的调配计划、刀具运送计划等。⑶刀具管理系统的硬件配置，包括：中央刀库和机床刀库、刀具管理计算机、刀具预调仪、条形码打印机和阅读机、换刀机器人或自动小车与刀具监测系统等。⑷刀具管理的软件系统，包括：加工和刀具信息、刀具运送指令和运送信息的反馈、刀具加工状态的监控信息、调度指令和信息传输、监控信息的反馈等。19.4.3刀具管理系统的硬件构成图19.17所示为一个典型的FMS刀具自动管理系统的硬件配置示意图。⑴系统内的全部刀具是被管理的对象。⑵机床刀库。容量冲10多把到100多把，根据加工任务将用的最多的刀具放在机床刀库内，其余刀具和中央刀库交换使用。⑶中央刀库。一组二维的刀具搁架，用于储存FMS加工不同工件时所需的刀具和备用刀具。⑷刀具进出站。人和FMS自动刀具输送系统之间的界面，新刀由此进入系统，磨损破损的刀具由此送出。⑸刀具交换输送装置。机床主轴上刀具和机床刀库间刀具的交换是由机床上的换刀机械手完成，机床刀