1、第六章數控機床自動換刀裝置第一節(jié)自動換刀裝置形式數控機床必須有自動換刀裝置，以便一次完成多個或所有加工工藝，從而縮短輔助時間，減少多次安裝工件所產生的錯誤。數控車床的旋轉刀架是一種簡單的自動換刀裝置。區(qū)別在于，多工序數控機床出現(xiàn)后，逐步開發(fā)和改進各種旋轉刀具的自動刀具交換裝置，擴大刀具交換量，實現(xiàn)更復雜的刀具交換操作。自動換刀數控機床中自動換刀的基本要求包括短換刀時間、高重復位置、足夠的刀具存儲容量、小地板面積和安全可靠度等。各種CNC機床的自動換刀裝置的結構取決于機床的形式、工藝范圍、刀具種類和數量。預設類型為：一、刀架交換旋轉刀架是數控車床常用的最簡單的自動換刀裝置之一。您可以設計為各種形

2、式，例如四方刀架、六角刀架或圓盤軸向刀架。旋轉刀架中至少安裝4個刀具和6個刀具，并根據NC裝置的命令進行刀具交換。旋轉刀架必須具有良好的結構強度和剛度，才能承受粗加工時的切削阻力。由于車削加工精度取決于刀尖位置，因此對于CNC車削，在加工過程中不會手動調整刀具位置，因此，選擇可靠的定位方案和合理的定位結構更為必要，以便旋轉刀架在每個旋轉位置后具有盡可能高的重復定位精度(通常為0.001到0.005mm)。旋轉刀架的刀具交換運動通常包括刀架抬舉、刀架旋轉和刀架壓力等。旋轉刀架根據工作原理分為多種類型，如圖6-1所示。圖6-1a)示出了一種螺母提升刀架，其中電動機通過彈簧安全離合器用蝸輪對驅動螺母

3、，螺母抬起刀架，將上、下半板分開，然后將刀架旋轉到位，從而為信號螺母提供反轉鎖。圖6-1旋轉刀架類型和工作原理圖6-1b)顯示使用十字型車輪旋轉刀柄，鎖定卡扣(也添加了定位銷)，大頭針每星期旋轉四分之一圈(也可能設計為6個位置等)。如圖6-1c)所示，凸臺桿刀架和蝸輪相對于上凸輪臺驅動下凸輪臺，分離上下齒輪輪，繼續(xù)旋轉，棘輪機構將刀架轉動90，然后使用接觸開關或孔元件發(fā)送電動機反轉信號，再次鎖定刀架。圖6-1d)顯示了使用具有10kN左右拉力的線圈鎖定轉塔位置的電磁轉塔。圖6-1e)示出了使用擺動閥芯、百分表、帶小液壓缸的擺動液壓缸控制刀架旋轉的液壓刀架。爪驅動刀架旋轉，小液壓缸向下擰緊，產生

4、10kN以上的拉力。這個刀架的特點是旋轉可靠，能進一步提高拉力。但是液壓元件很難制造，缺點是需要更多有液壓油泄漏和發(fā)熱問題的液壓系統(tǒng)。圖6-2顯示了適用于加工磁盤零件的CNC車床的六邊形旋轉刀架。這個刀架的整體運動是通過以下刀具交換過程，通過電磁方向閥和順序閥由液壓系統(tǒng)控制的。(1)撬起。在Cnc設備中執(zhí)行“刀具交換”命令時，壓力油由a進入壓縮液壓缸的下部，活塞上升，刀柄抬起，位置活動閂鎖與固定銷分離。活塞桿底部的端齒離合器與空套齒輪相結合。圖6-2數控車床六角旋轉刀架(2)刀架轉移。當刀架抬起時，壓力油從c孔旋轉到液壓缸左腔，活塞向右移動，通過連接板驅動機架，空套筒齒輪逆時針旋轉，通過端齒離

5、合器旋轉到60?；钊男谐瘫仨毜扔邶X輪節(jié)圓周長的六分之一，并由限位開關控制。(3)刀架繃緊。在轉塔旋轉后，壓力油從b孔進入壓縮液壓缸的上腔，活塞使轉塔體脫落。圓柱機箱正確安裝有6個楔形的圓柱固定閂鎖，使用活動針消除定位銷和孔之間的間隙，然后進行重新定位。轉塔主體下落時，定位活動銷將與其他固定銷牢固固定，圓柱與壓力板的圓錐接觸，轉塔將在新位置定位并壓縮。此時，端齒離合器與空套齒輪分離。(4)位移液壓缸復位。刀架被壓后，壓力油從d孔進入旋轉圓柱的右腔，活塞驅動齒條復位。此時，端齒離合器分離了，因此齒條驅動齒輪在軸上進行空轉。如果定位和壓縮運動正常，杠桿與相應接觸頭接觸，發(fā)出刀具交換過程結束的信號，

6、則可以繼續(xù)切削。旋轉刀架除了可以使用液壓缸驅動器和定位銷位置外，還可以使用電動機-馬爾科夫機構和鼠標磁盤定位和其他定位機制。圖6-3更換主軸二、主軸交換主軸交換器有旋轉刀更簡單的數控機床用刀的方法。這個主軸頭實際上是如圖6-3所示，這是刀架庫。主軸頭水平和垂直。主軸頭通常用刀架的位替換，實現(xiàn)自動工具交換。在塔架的每個部分主軸預安裝了每個工序所需的旋轉刀具，當運行“改變刀具”命令時，每個主軸頭依次移動到加工位置，并連接主運動，以便相應的主軸驅動刀具旋轉。其他未加工的主軸與主運動分離。更換主軸更換單元可節(jié)省自動松、夾、卸、工具和工具搬運等一系列復雜任務，縮短了刀具更換時間，提高了刀具更換的可靠性。

7、但是，由于空間位置的限制，主軸部件結構尺寸不能太大，從而影響主軸系統(tǒng)的剛度。要保證主軸的剛度，必須限制主軸的數量。否則，結構大小會增大。因此，刀架主軸頭通常只適用于工藝少、精度要求高的機床，例如數控鉆頭、銑床等。圖6-4更換主軸箱三、更換主軸箱某些數控機床使用多個主軸箱來實現(xiàn)刀具交換的目的，如圖6-4所示。主軸箱庫8懸掛備份主軸箱2 7。主軸箱兩端的導軌上裝有在主軸庫和機床動力頭之間搬運主軸箱的同時工作的汽車和。根據加工要求，首先選擇需要的主軸箱，當兩輛車用相應的主軸箱操作時，推至手推車I，手推車I同時移動到主軸箱和手推車兩個機床動力頭的更換位置。一個工序完成后，動力頭帶主軸1上升到更換位置，

8、夾緊機構松開主軸1，定位銷從定位孔拉出，推桿機構將主軸1推至第二級上，同時將車的備用主軸推至機器動力頭，進行定位。同時，兩輛車回到主軸庫，停在下一個要更換的主軸箱旁邊的空白處。也可以通過機器人10在庫存9和主軸1之間進行刀具交換。這種工具交換可以提高加工箱子等零件的生產率。四、自動刀具交換系統(tǒng)此類刀具交換設備由刀具庫、刀具選取機構、刀具交換機構和主軸上刀具的自動加載和卸載機制組成，使用最廣泛。圖6-5顯示了刀具庫安裝在機床工作臺上(或列)的CNC機床的樣子。圖6-5刀具庫和加工刀具是一體式CNC機床也是6-6刀具庫和加工刀具是分型CNC機床圖6-6顯示了CNC機床的外形，刀具庫安裝在機床外部，

9、成為一個單獨的零件。刀具庫的容量較大，因此刀具較重，并且附加刀具以完成刀具庫和主軸之間的刀具運輸。具有刀具庫的自動刀具交換系統(tǒng)的整個刀具交換過程更為復雜。首先，在標準刀柄上單獨安裝要在加工過程中使用的所有刀具，在機床外預先調整尺寸，然后將其插入到刀具庫中。交換刀具時，根據“選擇刀具”(select tool)命令，從刀具庫中選擇刀具，由刀具交換機從刀具庫和主軸中取出刀具，32此自動刀具交換系統(tǒng)需要增加刀具的自動夾緊、機構松弛、刀具庫運動和定位機制，并且經常需要清洗刀柄和刀具孔、刀具庫的設備，因此結構更加復雜。刀具更換過程動作多，刀具更換時間長。影響工具更換工作可靠性的因素也很多。要縮短刀具交換

10、時間，可以使用具有刀具庫的雙主軸或多主軸刀具交換系統(tǒng)，如圖6-7所示。圖中顯示了當水平方向的主軸位于加工位置時，替換刀具的主軸位于刀具交換位置，并由刀具交換機預先替換，完成此過程后，旋轉刀頭將旋轉并交換主軸(即刀具交換)。此刀具交換方法的大部分刀具交換時間與加工時間一致，只需轉動塔的頭旋轉時間，因此刀具交換時間短，刀架的主軸數量少，有助于提高主軸的結構剛度，提高刀具庫的刀具圖6-7更換雙主軸頭刀具此外，還可以增加用于多工序加工的數量。利潤。但是，這種刀具交換方法很難保證添加精密鏜孔操作所需的主軸精度。所以像這樣刀具交換方法主要用于鉆床，也可以使用銑削鏜床和數控復合機床。第二節(jié)刀庫第一，雜志的功

11、能刀具庫是自動刀具交換設備中最重要的零件之一。刀具庫是加工刀具和輔助刀具的存儲位置。其容量、布置、具體結構對數控機床設計有很大影響。第二，刀的形式根據雜志的容量和餐飲方式，可以采用多種形式設計雜志。一般形式如下：(a)線性雜志刀具在刀具庫中以直線排列，如圖6-8a所示。結構簡單，刀柄容量小，一般可安裝8-12個刀具，使用較少。此格式主要在自動刀具交換CNC車床上找到，也在CNC鉆床上使用。(b)磁盤工具此形狀有6-8個(刀具較少)，50-60個(刀具較多)，其中有多個形狀。(1)圖6-8b)在所示的刀具庫中，刀具以徑向布局占用了大量空間，刀具庫位置受到限制，通常放置在機床支柱的頂部，刀具交換時

12、間縮短，從而使整個刀具交換裝置更簡單。(2)在圖6-8c所示的刀具庫中，刀具軸方向布局經常位于主軸側。磁帶倉軸心線可以垂直或水平放置，這種形式使用較多。(3)在圖6-8d所示的刀具庫中，刀具采用與刀具庫軸線成角度(小于90)的傘形結構，可以根據機床的整體布局要求定位刀具庫的位置，并以更大的角度放置在支柱頂部，刀具庫容量不應太大。這三個磁盤刀具庫的刀具保留量為50-60個，刀具保留量太大，結構大小太大，與加工刀具布局不匹配。為了進一步擴展刀具存儲量，還有使用多圓分布刀具的磁盤庫的機器，如圖6-8e所示。多層磁盤磁帶倉，如圖6-8f所示；多行磁盤磁帶倉，如圖6-8g所示。幸運的是，每排磁盤雜志有4

13、把刀，整排可更換。最后三種形式的刀具庫使用較少。圖6-8各種形式的雜志(c)連鎖雜志鏈庫是更常見的形式。這種雜志魔術棒固定在環(huán)狀鏈條上。常用單行鏈庫，如圖6-8h所示。此刀具庫使用擴展鏈向后折疊鏈(如圖6-8i所示)以提高空間利用率，并進一步增加存儲量。鏈條雜志的結構緊湊，容量大的雜志，鏈條的形狀可以根據機床的布局，做成各種形狀。為了方便刀具交換，刀具交換也可以引人注目。如果需要在一定范圍內增加刀具數，則可以在不增加鏈輪直徑的情況下增加鏈的長度。因此，您可以不增加鏈輪的圓周速度(鏈線速度)，而不考慮刀具庫運動慣性的增加。它們?yōu)橐幌盗械毒邘斓脑O計和制造提供了很多方便。通常，對30到120個刀具數

14、量使用鏈庫。(d)其他雜志刀的形式還有很多，值得一提的是格子框刀。圖6-8j)是單面形式，布局不靈活，因此刀具庫通常放置在工作臺上，應用較少。圖6-8k)顯示了多面方法，該方法通常在使用前手柄加工工件時提前取出要替換的刀具，以減少刀具更改時間(CNC系統(tǒng)必須具有此功能)。此刀具庫的安裝空間小，結構緊湊，可容納的刀具數更多。但是，由于此處刀具和刀具的選擇很復雜，因此獨立加工中心不再使用它們，而是更多地用于柔性制造系統(tǒng)(FMS)的集中加工系統(tǒng)。圖6-9加工工件與刀具數量的關系第三，雜志的容量刀具庫中的刀具越多，越不好容量太大可能會增加雜志的大小和占用空間畫板面積，增加刀具選擇時間。刀柄的容量首先要

15、考慮加工技術的必要性?；阢@孔、銑削的垂直加工中心所需刀具數的統(tǒng)計，繪圖6-9顯示的曲線。曲線有10個孔機床可完成70%鉆孔工藝，4個銑削刀具可完成90%銑削工藝。您可以看到，14個刀具可以完成70%以上的鉆孔和銑削。計算已完成作業(yè)中加工作業(yè)的整個作業(yè)，大部分超過80%的工件只需要40個工具即可完成整個加工程序。因此，從使用角度來看，刀的容量一般為10-40，盲目增加刀的容量會降低刀的利用率，結構太復雜，造成很多浪費。第三節(jié)刀具系統(tǒng)和刀具選擇一、刀具系統(tǒng)機床中使用的刀具不是機床的一部分，但對于加工功能，它是機床不可缺少的一部分，提高CNC機床的利用率和工作效率的刀具是選擇適合高速切削的刀具材料

16、和使用可轉位刀片的重要因素。刀具通常使用標準刀具系統(tǒng)在刀具上快速定位夾具。機床中使用的具有自動刀具交換設備(如Cnc車床、加工中心等)的刀具，刀具與主軸連接部分和切削刀具部分已標準化并序列化。我國在20世紀70年代開發(fā)了鏜銑床的TSG刀具系統(tǒng)和刀架標準(草案)。TSG刀具系統(tǒng)的刀柄標準分為兩類：直柄和7: 24錐度的錐形刀柄。直線手柄適用于圓柱主軸孔，錐形手柄適用于圓錐主軸孔。在TSG刀具系統(tǒng)中，還設計了各種錐形刀柄連接長桿和各種直柄長桿。二、刀具選取方法根據在Nc設備上執(zhí)行的刀具交換命令，刀具交換機會將刀具庫中所需的刀具轉換到稱為“自動刀具選取”的拾取位置。自動選取刀具通常有順序選取和隨機選

17、取方法。(a)按順序選擇刀具刀具按加工過程的順序按順序放置在每個刀具清單上。每次更換刀時，刀柄會按順序旋轉刀具清單位置，并移除所需的刀具。已使用的刀具可放回原始刀具清單中，或按順序放入下一刀具清單中。這種類型的刀具庫不需要刀具識別設備，驅動控制簡單，可以通過庫的索引機制直接執(zhí)行。因此，刀具的順序選擇方法具有結構簡單、操作可靠的優(yōu)點。但是，由于刀具不能在其它進程中重復使用，因此必須相應地增加刀具數和庫的容量，以降低刀具和庫的利用率。此外，刀具庫中刀具的順序不正確可能導致設備或質量事故，因此手動刀具安裝工作應非常小心。(b)選取任意刀具此方法是根據使用所有選取方法的自動刀具交換系統(tǒng)中必須具有刀具識別設備的過程命令來選取所需的刀具。刀具可以按加工順序任意保存，而不必在刀具庫中排列。當自動交換刀具時，每個刀具(或刀柄)都會旋轉刀具庫，并且每個刀具(或刀柄)都會被識別為刀具識別設備。如果刀具代碼與NC命令的代碼匹配，則選取刀具，將刀具發(fā)送到刀具更改位置，并等待捕捉操縱器。隨機選擇刀具方法的優(yōu)點在于刀具庫中刀具的排序順序可以重復使用同一刀具，而與工件加工順序無關。因