毕业设计（论文）-高速加工(车)中典型零件数控编程及处理.doc

高速加工（车）中典型零件数控编程及处理目录摘要.IAbstract.II第一章 概述21.1数控机床简介21.2 高速加工技术介绍31.3 课题可行性分析31.4 课题的具体实施过程41.5 本章小结4第二章 总体方案设计42.1设计要求42.2 EdgeCAM软件的介绍42.3 机床介绍52.4 典型零件的介绍72.5本章小结7第三章 几何建模与动态仿真83.1 几何建模技术83.2 运动仿真93.3本章小结9第四章复合工艺加工过程104.1 刹车盘工艺设计104.2复合工艺加工过程114.3 传统工艺加工过程174.4 传统工艺和复合工艺的比较174.5本章小结17第五章 自动换刀装置的设计185.1 自动换刀装置简介185.2 总体方案的确定195.3 刀库结构设计205.4 刀库的圆柱蜗杆传动215.5 换刀机械手抓刀部分结构255.6 机械手传动结构255.7 自动换刀过程的动作顺序265.8 本章小结27结束语28致谢28参考文献29第一章 概述1.1数控机床简介1.1.1 数控机床的发展历史数控技术的发展已经经历了两个阶段，六代的发展历程。第一个阶段叫做nc阶段，经历了电子管、晶体管、和小规模集成电路三代。自1970年开始小型计算机开始用于数控系统就进入了第二个阶段，叫做cnc阶段，成为第四代数控系统：从1974年微处理器开始用于数控系统即发展到第五代。经过十多年的发展，数控系统从性能到可靠性都得到了根本性的提高。实际上从20世纪末期直到今天，在生产中使用的数控系统大部分都是第五代数控系统。但第五代数控系统以及以前各代都是一种专用封闭的系统，而第六代开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向，将在现代制造业中发挥越来越重要的作用。数控复合加工机床是以现代柔性自动化的数控机床为基础，以组合机床和多刀半自动转塔机床的“集中工序、一次装夹实现多工序复合加工”的理念为指导发展起来的新一类数控机床。当工件在其上一次装夹后，通过对加工所需工具(切削刀具或模具)的自动更换，便能自动地按数控程序依次进行同一工艺方法中的多个工序或不同工艺方法中的多种工序的加工，从而减少非加工时间，缩短加工周期，达到提高生产效率的目的。因此，数控复合加工机床从其加工的复合性来分，可分为工序复合型和工艺复合型两大类。前者如一般的镗铣加工中心、车削中心、磨削中心等，在一台机床上只能完成同一工艺方法的多个工序加工；而后者则如车铣复合中心、车磨复合中心、车削激光加工中心等，在一台机床上不仅可以完成同一工艺方法的多个工序，而且可以完成多种不同工艺方法的多个工序。如车铣复合中心，既可完成车削的多种工序，又能完成铣、钻、镗、攻丝等工艺的多种工序，好似把一台数控车床和一台中小型加工中心复合在一起。 如果从数控复合加工机床的加工对象、机床结构的配置方式和功能特点等特征来分，数控复合加工机床的门类就很多了。比如按加工对象分，就有面向回转体件加工的、棱柱体件加工的和复杂形体件(由回转体和棱柱体面组合)加工的。1.1.2 数控车削中心简介：数控车削中心通常是以普通数控车床为基础，配以一个或多个具有多刀位的转塔刀架发展而成，加工对象主要是轴类和盘套类等回转体零件。由于回转体件中约有一半左右的零件，除主要需车削加工外，还需部分的铣削、钻削和攻丝等加工，因此为了在一台车床上一次装夹便可对回转体件进行全部或大部分的加工，车削中心的转塔刀架上，除了装有车削刀具外，还能装上铣刀、钻头和丝锥等旋转的动力刀具，而且机床主轴具有数控精确分度的C轴功能和C与Z轴或和C与X轴联动的功能。这样一台车削中心不仅可以像普通数控车床那样能对回转体件的内外表面(含圆柱面、锥面、曲面等)、端面进行车削加工，还可以利用C-Z轴联动功能车螺纹，利用C轴分度功能和刀架的X或Y轴控制以及其上的动力旋转刀具进行偏离回转体件中心线的钻孔和铣削，从而大大地扩展了数控车床复合加工的能力。图1是SPINNER公司车削中心。但是，对于单主轴的车削中心而言，无论其工艺能力如何扩大，也无法解决回转体件一次装夹下的背面(原装夹端)二次加工问题，这正是单主轴车削中心存在的不足和开发新型车削中心的原因所在。为了克服单主轴车削中心存在的不足，机床的设计制造者 采取了在单主轴车削中心的基础上，增添一个与原主轴在轴线上对置的副主轴和一个多刀位的副转塔刀架，使机床成为双主轴双刀架的车削中心。(图2)正副两主轴同步同向旋转并都具有C轴控制的功能，副主轴还能沿轴向Z移动，以拾取在正主轴上完成右端加工的零件。副主轴拾取完工件退至适当位置后即由副刀架上的刀具对其左端(原夹持端)进行加工。正、副两个刀架分别位于正、副主轴的上、下方，并可分别单独编程工作，因此双主轴、双刀架车削中心就能对回转体件实现一次装夹完成全面加工。1.2 高速加工技术介绍数控高速切削加工作为工业生产制造中重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用得到了解决。其切削速度、进给速度相对于传统的切削加工，以级数级提高，切削机理也发生了根本的变化。与传统切削加工相比，切削加工发生了本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率提高了30%40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低，低阶切削振动几乎消失。随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，切削时间减少，加工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。同时，高速加工的小量快进使切削力减少，切屑的高速排除，减少了工件的切削力和热应力变形，提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低，转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的表面粗糙度对低阶频率最为敏感，由此降低了表面粗糙度。除此之外，高速加工还有另一个突出的特点，那就是高速加工采用带涂层的硬质合金刀具，在高速、高温的情况下不用切削液，切削效率更高。这是因为：铣削主轴高速旋转，切削液要达到切削区，首先要克服极大的离心力；即使它克服离心力进入切削区，也可能由于切削区的高温而立即蒸发，冷却效果很少甚至没有；同时切削液也会使刀具刃部的温度激烈变化，容易导致裂缝的产生，所以采用干式冷却方式。这种冷却方式就是用高压气体迅速吹走切削区的切屑，从而将大量的切削热带走，同时经雾化的切削液可以在刀具刃部和工件表面形成一层极薄的微观保护膜，可以有效地延长刀具寿命并提高零件的表面质量。1.3 课题可行性分析一个课题的可行性是研究者对一个课题有无解决的可能，以及能否达到既定目的的一种估计和判断。从倒立式车削加工中心的角度来看。倒立车床的主轴与卡盘采用倒立设计，使工件装卡及加工自动完成，配合无料输送机构和工件翻转机构，可实现工件的一次上料，最终成活。从这点上来看，达到了本次设计的第一个目的：提高加工的效率。从典型零件：刹车盘的角度来看。刹车盘毛坯采用铸造件，制造工艺不是很复杂，制造过程中所要求的加工精度、形位公差等要求完全能够在倒立车床上得到满足。从而达到了本次设计的第二个目的：提高加工的精度。综上所述，本次课题的提出是必要的、可行的。 1.4 课题的具体实施过程在本次毕业设计的开始阶段，我在高速车削加工、数控编程等方面进行了大量资料的收集工作，从而建立了设计的理论基础。随后，随工程师进入第一机床厂，对本次设计所要借助的“倒立式车削加工中心”进行了系统的学习，并从典型零件的工艺安排、机床加工精度等方面进行了反复验证，在理论验证的基础上，对典型零件：刹车盘，进行了工艺设计合编程，并参加了北京机床展，从而达到了理论和实际相结合的目的。最后阶段，在第一机床的工程师的帮助下完成了换刀装置的设计。1.5 本章小结本章主要介绍了数控机床的种类和应用，并对本次设计进行了可行性的分析，为本次设计的进行打下了理论的基础。第二章 总体方案设计2.1设计要求本次设计的主要内容有：1）利用pro/e、CAXA等软件对倒立车床和典型零件进行三维建模2）利用三维模型，在EdgeCAM软件中建立相应的后处理，以便在该软件中完成典型零件的加工仿真。3）利用EdgeCAM软件对典型零件进行复合加工工艺的设计，并编程，完成仿真。4）比较典型零件的两种加工工艺的优劣，总结出复合加工以及复合机床在实际加工中的优点。5）完成该机床换刀机构的装配图设计，并完成相应的计算。2.2 EdgeCAM软件的介绍本课题应第一机床的要求，主要使用EdgeCAM智能编程软件来进行相关的试验和研究。EdgeCAM是由英国Pathtrace工程系统公司开发的一套智能数控编程系统，主要应用在数控铣、数控车和数控线切割等领域。它具有以下特点：1）EdgeCAM提供了众多智能加工策略，从简单的轮廓加工到复杂的曲面加工，从投影加工到残料加工、清根加工、等粗糙度加工等数十种加工策略可供选择；可支持2轴半至5轴联动的铣削、普通车削以及车铣复合加工设备。其加工范围广，为本次课题研究提供了广阔的试验平台。2）实现与CAD系统的无缝链接。路径公司已经与Autodes、Dassort、UGS、PTC等公司合作，开发出针对与Invneotr、CATIA、SolidWorks、Solidedge、Parasolid、Pro/E等三维CAD实体模型的数据接口，不仅保证了模型数据从CAD环境到CAM环境的完整，而且还可以与这些CAD环境实现联动。3）在直接针对实体模型进行编程操作的CAM软件的行列中，EdgeCAM不仅最早进入该领域，而且创造性地引入编程智能化的概念，在实体模型信息保持完整的前提下，做了更多的有益的创新应用，例如：通过自动定义毛坯、智能化查找加工特征，针对不同加工特征通过成组加工自动加载辅助功能，减少编程操作过程，提高编程效率；4）EdgeCAM完备的模拟加工系统具有与专业仿真软件相媲美的功能。仿真过程中可以有多种显示方式，可以随时进行动态拖动放大等操作，同时还具有过切干涉报警功能，使加工仿真更直观可靠。2.3 机床介绍本课题使用的机床是北京第一机床厂研制的倒立车削加工中心。倒立车削加工中心主轴与卡盘采用倒立设计，在加工过程中能够通过主轴的移动实现双主轴的对接，从而能够实现对加工零件的不同平面的加工过程。而本次课题所所用的典型零件“杀车盘”的加工工艺（详细加工工艺请参见第四章）在倒立车削加工中心上能够得到充分的满足。最后，通过EdgeCAM软件的仿真功能，来实现最终工艺的加工。倒立车削加工中心的特点：1）主轴与卡盘采用倒立设计，使工件装卡及加工自动完成。配合无聊输送机构和工件翻转机构，可实现工件的一次上料，最终成活。 2）大扭矩内藏式主轴电机，提供宽频无极变速，变速范围3000rpm14200rpm。 3）采用内藏式油冷却系统，有效降低头部温升，确保长时间加工的精确度。 4）配备工件翻转机构，实现工件翻转动作，方便完成工料双面加工。 5）卡盘倒立式夹持工间，避免划伤工件，有效改进了卧加的排屑性不好，确保了精度。 6）12工位送料，确保加工效率。 7）回转刀塔的刀盘提供12个VDI旋转刀具安装位，允许任意X向、Z向刀具的安装，从而实现铣、钻、攻丝等加工功能。 8）具有C轴功能，C轴分辨率为0.001度。机床参数介绍：名 称 单 位 规 格主轴卡盘直径最大加工直径最大加工长度mmmmmm 254 305 200 X轴行程 Y轴行程 Z轴行程X轴快速进给速度Y轴快速进给速度Z轴快速进给速度mmmmmmm/minm/minm/min 1170 50 420 60 15 30 主轴转速 最大扭矩RPMN/m 3000-14200 420 刀具数量 动力刀具转速No. rpm12 100-4000 机床总重 机床整体尺寸kgmm 9000 340015002890 数控系统 FANUCOi2.4 典型零件的介绍典型零件：刹车盘，主要用于汽车的制动系统。毛坯采用铸造件，主要由平面和孔所组成。（刹车盘的具体分析详见第四章）2.5本章小结在第一章的基础上，本章引出了本次毕业设计的课题：“高速加工（车）中典型零件数控编程及处理”的设计要求。同时，对本次设计所应用的数控倒立车床和所借助的软件进行了详细的介绍。第三章 几何建模与动态仿真3.1 几何建模技术3.1.1几何建模技术的研究几何仿真技术的发展是随着几何建模技术的发展而发展的，包括图形显示和定量千涉验证两方面。目前，常用的几何建模方法有：直接实体造型法、基于图像空间的方法、基于离散矢量求交的方法和基于三角网格的方法。本次设计所采用的方法为：直接实体造型法中的构造的实体几何法。构造的实体几何法的介绍：构造的实体几何法(Constructive Solid Geometry)，简称CSG法，是在实体的表示、构造中得到广泛应用的一种方法。在这一方法中，常用的体素有长方体、圆柱体、圆锥体、圆台体、环、球等。 3.1.2 典型零件的建模典型零件：刹车盘的建模过程是在CAXA下完成的。CAXA是我国制造业信息化CAD/CAM/PLM领域自主知识产权软件的优秀代表和知名品牌，覆盖了制造业信息化设计、工艺、制造和管理四大领域。下图为刹车盘在EdgeCAM下的仿真： 3.1.3 数控车削仿真系统的几何建模数控机床的结构虽然复杂，但它们都是由相对独立的数量较为固定的不同功能的模块组成，用面向对象的方法分析数控机床，即数控机床由相互独立的各种对象组成。在对象模型中，数控机床是由主轴、立柱、床身、工作台、换刀装置及托盘交换装置组成。本次设计所涉及的机床建模是在pro/e下完成的，具体图形请参见附录。3.2 运动仿真3.2.1 数控车削的加工仿真数控车削加工编程以及仿真的特点数控车床的外形与普通车床相似，其品种规格较多，数控车床都能自动完成内外圆柱面、圆锥面、球面、回转面等工序的加工。应用较为广泛。一般螺纹面及较为复杂的回转面等工序的加工。 数控车床编程主要以下几个特点: 1) 由于被加工零件的径向尺寸在图样上和在测量时都是以直径值表示，所以直径方向用绝对值编程时，x以直径值表示，用增量值编程时，以径向实际位移量的二倍值表示，并附上方向符号(正向可以省略); 2) 由于车削加工的加工余量较大，因此，数控车床的数控装置常具备不同形式的固定循环，可进行多次重复循环切削，以简化编程; 3) 数控车床的x向脉冲当量取z向的一半，以提高工件的径向尺寸精度; 4) 编程时，常认为车刀刀尖是一个尖点，但实际应用中车刀刀尖常磨成一个半径不大的圆弧，因此需对刀具半径进行补偿。数控车床加工过程是典型的回转体成形过程。工件绕主轴作旋转运动，刀架沿车床纵向导轨和横向导轨作直线运动，形成刀具的运动轨迹、从而在工件上加工出要求的回转面。数控程序正是控制刀架的运动轨迹，实现零件的各种表面加工，其原理如上图所示。3.2.2本次课题的数控车削加工过程本次课题所要研究的内容是: 刹车盘在数控车削环境下数控仿真，主要是加工工艺的设计。具体设计过程详见第四章。3.3本章小结本章介绍了几何建模和动态方针方面的知识。总之，几何建模是仿真系统的关键，建模方法的好坏直接关系到动态仿真效果的好坏。第四章 复合工艺加工过程4.1 刹车盘工艺设计本次所设计的是通风盘式刹车盘，顾名思义具有透风功效，指的是汽车在行使当中产生的离心力能使空气对流，达到散热的目的，这是由盘式碟片的特殊构造决定的。盘式制动是由摩擦衬块夹紧刹车盘产生制动作用的。从外表看，它在圆周上有许多通向圆心的洞空，这些洞空是经一种特殊工艺制造而成。由于制造工艺与成本的关系，一般中高级轿车中普遍采用前通风盘、后普通盘的制动片。盘式刹车具有较佳的反应性及稳定性，散热性较佳，更换简便等优点。4.1.1 刹车盘的结构特点和技术要求分析 刹车盘的结构不是很复杂，加工表面主要为平面和孔系，其中对刹车面的加工表面粗糙度要求最高，两个刹车面之间要求一定的直线度、平行度和平面度。刹车盘的设计基准为平面，一般要求有较高的平面度和表面质量。刹车盘上孔要求有一定的空间距和同轴度。1) 刹车盘的加工定位基准的选择 粗基准的选择：粗基准的选择影响到余量的分配和工件的装夹方式，要保证刹车面的加工余量均匀，特别是刹车盘两个端面的加工余量，所以应选取刹车面为定位的粗基准。由于铸造时，刹车盘的端面和起支撑作用的筋它们之间有较高的精确度，可以较好地保证端面和筋的加工余量的均匀，较好的保证其他的外圆和内圆之间的位置精度。 精基准的选择：由于刹车面的两个端面要求一定的直线度、平行度和平面度。所以在选择精基准时要考虑使用“基准统一”和“互为基准”的原则，以避免因基准转换而产生的基准不重合误差。所以选择354的外圆为精基准，这样一来，用左刹车面定位来加工右刹车面，再以右刹车面定位来加工左刹车面。这种方法保证加工面获得均匀的加工余量或使加工面间有较高的位置精度，有一次定位误差的影响，但不存在定位基准不重合误差，所以能较保证较准确的位置精度，从而保证了两个刹车面之间要求一定的直线度、平行度和平面度的要求。2) 刹车盘加工顺序的安排刹车盘的加工顺序一般有以下几个过程：钢板下料机械加工配制粉料冷压成形加压烧结机械加工表面处理刹车动盘力学试验 （在这里，我只对机械加工的过程进行研究）在这里采用先面后孔的原则：先加工平面，后加工内孔；先加工主要孔，后加工次要孔。为保证刹车盘在进行数控加工时工件可靠的定位和车削加工后工件的同轴度的要求，可以先加工刹车盘的左侧端面，然后加工左侧的孔。然后经过主轴对接更换夹具，在加工左侧的端面和孔。4.1.2 刹车盘的加工工艺1) 零件图分析：该零件主要由外圆（354、214.5）、内圆（214、182）、中孔（128、）端面和内孔（12.4）组成，其中多个直径尺寸与轴向尺有较高的尺寸精度、表面粗糙度和形位公差要求。刹车盘的端面是最重要的加工表面，是汽车制动时的主要工作面，两个刹车面要求表面粗糙度为1.6，并且有直线度、平行度和平面度的限制。零件图的尺寸标注完整，符合数控加工尺寸的标注要求；左侧端面为设计基准；轮廓描述清楚完整；由于刹车盘的零件较复杂（48条筋沿圆周分布），故毛坯材料应选用容易成形、吸震性能好、加工工艺性好的灰口铸铁。2) 工艺路线拟定 加工顺序与走刀路线：车削加工的顺序按照由内向外、由粗到精、由远到近的原则确定。内、外轮廓加工沿着零件轮廓进行。 刀具选择：根据加工方法选择端面车刀、钻头、镗刀等。 切削用量选择：根据被加工表面质量要求、刀具材料和工件材料，参考切削用量手册选取速度与进给量，计算主轴转速和进给速度。4.2复合工艺加工过程4.2.1刹车面左侧加工过程：工步号工 步 内 容刀具号刀具规格/mm主轴转速/r进给速度/mm背吃刀量mm备注1半精车左刹车面T0512 12000 30 0.6自动2 精车大外圆354T05121200020 0.6自动3 精车内圆及端面 T07 1010600 20 0.2自动4精车左刹车面 T05 1212000 20 0.1自动5扩孔10cm至12.4cm T11 19.5 10000 20 自动总时间：11:25.491) 半精车左刹车面 表面精度要求：1.8工步：半精车左刹车面 进给速率：0.3mm/rev 切削增量：0.6mm 主轴转速：12000转/分加工余量：z轴0.4mm x轴0.4mm有无精加工：无加工刀具：T052) 精车大外圆3540.3，倒角1.245度 表面精度要求：无工步：精车大外圆 进给速率：0.2mm/rev 切削增量：0.6mm 主轴转速：12000转/分加工余量：无有无精加工：有加工刀具：T053) 精车内圆及端面：保证214.20.3；182 倒角R3；176.20.20；中心孔倒角145度 表面精度要求：3.2工步：精车轮廓进给速率：0.2mm/rev 切削增量：0.2mm 主轴转速：10600转/分加工余量：无有无精加工：有加工刀具：T074) 精车左刹车面，保证直线度0.10，平行度0.08，平面度0.04；保证820.25cm 表面精度要求：1.6工步：精车左刹车面 进给速率：0.2mm/rev 切削增量：0.1mm 主轴转速：12000转/分加工余量：无有无精加工：有加工刀具：T055) 扩孔10cm至12.4cm，均匀分布，倒角0.545度 工步：扩孔进给速率：0.2mm/rev 主轴转速：10000转/分加工余量：无加工刀具：T054.2.2刹车面右侧加工过程:工步号工 步 内 容刀具号刀具规格/mm主轴转速/r进给速度/mm背吃刀量备注1半精车右刹车面T011212000300.6自动2精车轮廓 T011212000100.3自动 3精车中孔 T04 610600200.4自动 4.精车右端面 T06 612000100.1自动 5钻孔10cm T08 12.41450020 自动 6扩孔 T0919.51000035自动总时间：14:35.411) 半精车右刹车面 表面精度要求：1.8工步：半精车右刹车面 进给速率：0.3mm/rev 切削增量：0.6mm 主轴转速：12000转/分加工余量：z轴0.4mm x轴0.4mm有无精加工：无加工刀具：T012) 精车 199.20.2cm 倒角 R2；2010.3cm 倒角 R5；2060.3cm 倒角R12 表面精度要求：3.2工步：精车轮廓进给速率：0.1mm/rev 切削增量：0.3mm 主轴转速：12000转/分加工余量：无有无精加工：有加工刀具：T013) 精车中孔1280.16 表面精度要求：3.2工步：精车轮廓 进给速率：0.3mm/rev 切削增量：0.1mm 主轴转速：10600转/分加工余量：无有无精加工：有加工刀具：4) 精车右端面，保证直线度0.10，平行度0.08，平面度0.04；大外圆倒角45度，并保证354.50.3cm 表面精度要求：1.6工步：精车右刹车面 进给速率：0.1mm/rev 切削增量：0.1mm 主轴转速：12000转/分加工余量：无有无精加工：有加工刀具：T015) 挖退刀槽，214.20.3cm6) 钻孔10cm 工步：钻孔降刀速率：0.1mm/rev 主轴转速：14500转/分加工余量：无加工刀具：7) 扩孔10cm至12.4cm，均匀分布，倒角0.545度 工步：扩孔降刀速率：0.1mm/rev 主轴转速：10000转/分加工余量：无加工刀具：T09 （复合工艺加工的G代码参见本次设计的附录）4.3 传统工艺加工过程 刹车盘的传统工艺加工过程和复合工艺加工过程基本相似，由于本次设计的篇幅有限，所以不再做重复的介绍。4.4 传统工艺和复合工艺的比较虽然刹车盘的传统工艺加工过程和复合工艺加工过程基本相似，但是在高速加工中，传统工艺和复合工艺加工时所用的刀具有着显著的区别。复合工艺加工时一般所用刀具材料一般为：铝合金、铸铝合金、高硬度钢、高温镍基合金等。而传统工艺加工所用的刀具一般为45钢。与复合工艺相比，传统工艺加工过程在加工精度、加工效率、加工成品的质量都要比复合工艺相差甚远。由于传统工艺加工过程中要对零件进行反复的4次装夹，从而降低了工件加工的速度和效率。但是，倒立式车削加工中心采用倒立车主轴，主轴可直接从物料传送机构上取料，并配合工件翻转机构，可实现工件的一次性的装卡最终成活的高效加工，从而大大的提高了工件加工的速度和效率，经过统计刹车盘在道理车床从毛坯到加工成型所用的时间为25分50秒，从这个数据上，我们不难看出，复合工艺加工过程大大的提高了加工的效率。4.5本章小结本章借助典型零件“刹车盘”，从其加工工艺出发，对复合工艺和传统工艺进行了详细的比较，得出了无论从加工速度、加工的效率和加工的精确性等方面，倒立式加工中心都远远的高于普通的加工过程的结论。 第五章 自动换刀装置的设计5.1 自动换刀装置简介5.1.1自动换刀装置（ATC）及其形式带有自动换刀刀具交换装置（atc automatic tool change）的数控机床称为加工中心。它通过刀具的自动交换，可以一次装夹完成多道工序的加工，实现了工序的集中和工艺的复合，从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率，减少了零件安装、定位次数，提高了加工精度。加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控机床。带有刀具自动交换装置、能一次集中完成多种工序加工的数控加工设备。数控机床实现了中、小批量加工自动化，改善了劳动条件。此外，它还具有生产率高、加工精度稳定、产品成本低等一系列优点。为了进一步发挥这些优点，数控机床遂向“工序集中”，即一台数控机床在一次装夹零件后能完成多任务序加工的数控机床(即加工中心)方面发展。 钻、镗、铣、车等单功能数控机床只能分别完成钻、镗、铣、车等作业，而在机械制造工业中，大部分零件都是需要多任务序加工的。在单功能数控机床的整个加工过程中，真正用于切削的时间只占30左右，其余的大部分时间都花费在安装、调整刀具、搬运、装卸零件和检查加工精度等辅助工作上。在零件需要进行多种工序加工的情况下，单功能数控机床的加工效率仍然不高。加工中心一般都具有刀具自动交换功能，零件装夹后便能一次完成钻、镗、铣、攻丝等多种工序加工。 加工中心的组成部分： 加工中心分两大部分：数控机床和刀具自动交换装置。刀具自动交换装置应能满足以下几个方面的要求： 换刀时间短； 刀具重复定位精度高； 识刀、选刀可靠，换刀动作简单； 刀库容量合理，占地面积小，并能与主机配合，使机床外观完整； 刀具装卸、调整、维护方便。 刀具自动交换系统由刀库、刀具交换装置、刀具传送装置、刀具编码装置、识刀器等五个部分组成：1：刀库存贮加工所需各种类型刀具的仓库。它是刀具自动交换系统中的重要组成部分，具有接受刀具传送装置送来的刀具和将刀具给予刀具传送装置的功能。2：刀具交换装置(机械手) 它的职能是将机床主轴上的刀具与刀库或刀具传送装置上的刀具进行交换，其动作循环为：拔刀新旧刀具交换装刀。换刀机械手种类繁多，可以说每个厂家噢都可以推出自己的机械手，基本上换刀装置按交换方式又分为两类：无机械手换刀和采用机械手换刀。3：刀具编码装置： 将加工所需的刀具自动地从刀库中选择出来称为自动选刀，有顺序选择和编码选择两种方式。5.1.2 高速加工中心的快速自动换刀技术高速加工中心是高速机床的典型产品,高速功能部件如电主轴，高速丝杠和直线电动机的发展应用极大地提高了切削效率，为了配合机床的高效率。作为加工中心的重要部件之一的自动换刀装置(ATC)的高速化也相应成为高速加工中心的重要技术内容。随着切削速度的提高，切削时间的不断缩短，对换刀时间的要求也在逐步提高，换刀的速度已成为高水平加工中心的一项重要指标。快速自动换刀技术是以减少辅助加工时间为主要目的，综合考虑机床的各方面因素，在尽可能短的时间内完成刀具交换的技术方法。该技术包括刀库的设置、换刀方式、换刀执行机构和适应高速机床的结构特点等换刀速度指标衡量换刀速度的方法主要有三种：刀到刀换刀时间；切削到切削换刀时间；切屑到切屑换刀时间。由于切屑到切屑换刀时间基本上就是加工中心两次切削之间的时间，反映了加工中心换刀所占用的辅助时间，因此切屑到切屑换刀时间应是衡量加工中心效率高低的最直接指标，而刀到刀换刀时间则主要反映自动换刀装置本身性能的好坏，更适合作为机床自动换刀装置的性能指标。这两种方法通常用来评价换刀速度。至于换刀时间多少才是高速机床的快速自动换刀装置并没有确定的指标，在技术条件可能的情况下,应尽可能提高换刀速度。换刀技术主要有以下几个方面:(1)在传统的自动换刀装置的基础上提高动作速度，或采用动作速度更快的机构和驱动元件。例如，机械凸轮结构的换刀速度要大大高于液压和气动结构。日本SODIC公司生产的MC450立式加工中心的机械凸轮结构的快速换刀装置,刀到刀换刀时间只有0.6s。(2)根据高速机床新的结构特点设计刀库和换刀装置的形式和位置。例如,传统的立式加工中心的刀库和换刀装置多装在立柱一侧；而高速加工中心则多为立柱移动的进给方式，为减轻运动件质量，刀库和换刀装置不宜再装在立柱上。(3)采用新方法进行刀具快速交换，不用刀库和机械手方式,而改用其它方式换刀。例如不用换刀，用换主轴的方法。(4)利用新开发的加工中心的主轴部件可作6自由度高速运动这一特点，让主轴直接参与换刀过程，不仅可使刀库配置位置灵活,而且可减少刀库运动的自由度,显著简化刀库和换刀装置的结构。(5)适合于高速加工中心的HSK刀柄，HSK刀柄质量轻，拔插刀行程短，可以使自动换刀装置的速度提高。快速自动换刀装置采用HSK空心短锥柄刀是发展的趋势。5.1.3 自动换刀装置应当满足的基本要求1) 换刀时间短。2）刀具重复精度高。3）刀具储存足够。4）刀库占地面积小。5）安全可靠。5.2 总体方案的确定5.2.1 确定刀库容量刀库储存量过大，导致刀库的结构庞大而复杂,影响机床总体布局；储存量过小，则不能满足复杂零件的加工要求。因此，刀库容量应在经济合理的条件下，力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库，以缩短每次装刀所需的装调时间。对自动换刀数控机床的刀库容量，有关资料曾对15000个零件进行分组统计，指出不同工序加工时必须的刀具数不同。因此，对数控立式车床来说，容量为6-12的刀库就可满足要求了。本次设计的是容量为6把刀具的刀库。5.2.2 确定刀具的选择方式按数控装置的刀具指令，从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。在刀库中选择刀具通常采用两种方式。1) 顺序选择刀具刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。该法不需要刀具识别装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。但刀库中每一把刀具在不同工序中不能重复使用，为了满足加工需要只有增加刀具的数量和刀库的容量，这就降低了刀具和刀库的利用率。2) 任意选择刀具这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件加工顺序排列，可以任意存放。每把刀具（或刀座）都编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具（或刀座）都经过“刀具识别装置”接受识别。当某把刀具（或刀座）的代码与数控指令相符合时，该把刀具被选中，刀库将刀具送到换到位置，等待机械手来抓取。任意选择刀具法的优点是刀库中刀具的排列顺序与工作加工顺序无关，刀具可重复使用。在以上确定刀库容量时已经讨论可知倒立车削中心几乎不存在加工过程中需要重复利用刀具的情况，所以刀具的选择方式确定为顺序选择刀具。该法不需要刀具识别装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。下图为倒立车削中心的换刀结构示意图：5.3 刀库结构设计 刀库的外形如所示。圆盘式刀库（下图a）由专用的直流伺服电动机1经套筒联轴器2、蜗杆4、蜗轮3，带动刀盘14和盘上的6个刀套13旋转。刀座的滚子11在不旋转的刀盘14的槽中受到限位，刀盘14在最下端的换刀位置开了一个缺口。刀座以铰链形式与支承板16相连（图b）。平时，由弹簧18将滚子销19压在刀套13的凹槽中，使刀座固定位在水平位置。由于主轴是立式的，故应将处于刀库刀盘14最下位置的刀套旋转90，使刀头朝下。实现这个动作靠气缸5。气缸5的活塞杆6带动拨叉7上升。由AA剖视图中可以看到，最下面的一个刀套13右尾部的滚子11正好进入拨叉7的缺口。拨叉7上升使刀套连同刀具逆时针旋转90，滚子销19退出支承板16的凹槽，刀座转到垂直位置，等待机械手换刀。刀套的构造如下图b所示。由图中可以看到锥孔尾部有两个球头销钉17，后有弹簧用以夹住刀具，故当刀套旋转90后刀具不会下落。刀套顶部的滚子15用以在刀套处于水平位置时支承刀套。当刀具更换完毕，该刀座插入从主轴换下的刀具平头。通过气缸作用，与上述动作相反，刀座带着刀具夹头顺时针转动，直到水平位置为止，此时，滚子销19重新处于支承板16的凹槽中。5.4 刀库的圆柱蜗杆传动1选择蜗杆传动类型根据GB1008588的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）。2选择材料 蜗杆采用45钢，齿面淬火，硬度为4550HRC；蜗轮用铸锡磷青钢ZCuSn10Pb1，金属模铸造，=220 MPa。3确定主要参数 蜗杆蜗轮传动，以蜗杆为主动，蜗轮为从动。为了提高传动效率，取Z1=6，传动比取6，单向旋转，单工作制，预计寿命为5年。则Z2= Z16=36。4按齿面接触疲劳强度设计m2d1KT2 (mm3)计算蜗轮轴转矩T2 初估传动效率=0.95,则T2=9594=9594=95940.95=166.92 Nm载荷系数K=1.05许用接触应力 =2200.91.48=293.04 MPa 式中, =220 MPa, =70 MPa 估计滑动速度5m/s，用浸没润滑，查得滑动速度影响系数=0.9,=1.48（其中=60at=60153008=3.6）；计算m2d1值,并选定模数m和蜗杆分度圆直径d1m2d11.05166.92=354.34 mm3;查得模数m=3.15(mm), d1=45 (mm)5. 验算滑动速度计算蜗杆速度 =0.07065 m/s计算滑动速度 =/=0.07065/=0.0836 m/s 其中=22.78,则初估的值合适。6验算蜗轮齿弯曲强度验算公式为用系数=1动载荷系数=1.03载荷分布系数=1d1=45 mm，=m=3.1536=113.4 mm,其中模数m=3.15(mm)。蜗轮齿形系数=3.92按蜗轮当量齿数=/=36/=45.93。 导程角系数=1-/120=1-/120=0.81许用弯曲应力=700.542=37.94 Mpa计算弯曲应力 =22.618 由于，帮满足蜗轮轮齿强度条件。7计算蜗杆蜗轮的主要参数分度圆直径 =45，=m=3.1536=113.4mm中心距aa=(+2m)/2=45+113.4+2(-0.1349)3.15/2=79 mm蜗杆导程角 8计算其他尺寸蜗杆齿顶圆直径 =+2=45+23.15=51.3 mm， 其中为蜗杆齿顶高，且=m=3.15 mm；蜗轮喉圆直径 =+2=113.4+20.86513.15=118.85 mm， 其中为蜗轮齿顶高，且=+=1-0.1349=0.8651 mm；蜗轮外圆直径=+m=118.5+3.15=122 mm；蜗杆齿宽 由于=6，故按结构设计，取=64 mm蜗轮齿宽 0。67=0.6751.3 =34.371mm,取=34 mm；蜗轮齿顶圆弧半径 =-m=-3.15=19.35 mm蜗轮齿根圆弧半径 =+c=+0.2m=+0.23.15=26.28 mm；蜗杆轴向齿厚 =/2=3.15/2=4.948 mm,其中为蜗杆轴向齿距；蜗杆法向齿厚 =4.948=4.562 mm；蜗轮分度圆齿厚 =0.5=0.53.15=4.948 mm。9热平衡计算蜗杆传动由于效率低，所以工作时发热量大。在闭式传动中，如果产生的热量不能及时地散逸，将因油温不断升高而使润滑油稀释，从而增大磨擦损失，甚至发生胶合。所以必须根据单位时间内的发热量等于同时间内的散热量的条件进行热功平衡计算，以保证油温稳定牌规定的范围内。由于摩擦损耗的功率=（1-）kW,则产生的热流量（单位为1W=1j/s）为 =1000（1-） W式中 为蜗杆传递的功率（单位：kW）。 以自然冷却方式，从箱体外壁散发到周围空气中去的热流量为 =kA(-) w式中 k热导率，一般取k=8。717.5W(),环境空气流通较差时，取较小值，否则取较大值； A传动装置散热的计算面积，即内面被没浸溅的，而外面又被空气所能冷却的的箱壳面积（）； 润滑油的工作温度，一般限制在6070，最高不能超过80； 周围环境温度，一般取室温=20。按热平衡条件=，可求得在既定工作条件下的没温为 =+ 在绘制传动装置结构图的基础上进行热平衡计算： =0.09280=0.0736 kW取=0.95, k=10,并估算A=0. 006，则 =20+=81.3380 由于超过最高工作温度，所以必须采取一些散热措施，以提高散热能力，如在装循环冷却管路。10. 刀库驱动转矩的校核蜗轮转速=5r/min,所能传递的功率为P=0.092800.95=0.07 Kw,此时刀库的驱动转矩为：T=120.3NmT0=8Nm，其中=0.9为普通平键带动刀盘回转的传动效率。所以，刀库驱动转矩满足要求。5.5 换刀机械手抓刀部分结构如下图所示机械手抓刀部分结构。它主要由手臂1和固定于其两端的结构完全相同的 两个手爪1组成。手爪上握刀的圆弧部分有一锥销2，机械手抓刀时，该销插入刀柄的键槽中。当机械手由原位转75抓住刀具时，两手爪上的长销7分别被主轴前端面和刀库上的挡块压下，使轴向开有长槽的活动销6在弹簧4的作用下右移顶住刀具。机械手拔刀时，长销7与挡块脱离接触，锁紧销8被弹簧5弹起，使活动销顶住刀具不能后退，这样机械手在回转180时，刀具不会被甩出。当机械手上升插刀时，两长销7又分别被两挡块压下，锁紧销从活动销孔中退出，松开刀具，机械手便可反转75复位。5.6 机械手传动结构下图为本设计刀库所用采用的机械手结构示意图。如前述刀库结构，刀套向下转90后，压下下行程开关，发出机械手抓刀信号。此时，机械手21正处在图中所示的上面位置，液压缸18右腔通压力油，活塞杆推动齿条17向左移动，带动齿轮11转动（连接盘与齿轮11用螺栓连接，它们空套在机械手臂轴16上，传动盘10与机械手臂轴16用花键连接），使机械手回转75抓刀。抓刀动作结束进，齿条17上的挡环12压下行程开关14，发出拔刀信号，于是升降液压缸15的上腔通压力油，活塞杆推机械手臂轴16下降拔刀。在轴16下降过程的同时，传动盘10随之下降，其下端的销子8插入连接盘5的销孔中，连接盘5和下面的齿轮4也是用螺栓连接的，它们空套轴16上。当拔刀动作完成后，轴16上的挡环2压下行程开关1，发出换刀信号。这时转位液压缸20的右腔通压力油，活塞杆推动齿条19向左移动，带动齿轮和连接盘5转动，通过销子8，由传动盘带动机械手转180，交换主轴上和刀库上的刀具位置。换刀动作完成后，齿条19上的挡环6压下位置开关9，发出插刀信号，使升降油缸下腔通压力油，活塞杆带着机械手臂轴上升插刀，同时传动盘下面的销子8从连接盘5的销孔中移出。插刀动作完成后，轴16上的挡环压下行程开关3，使转位油缸20的左腔通压力油，活塞杆带着齿条19向右复位，齿轮4空转，机械