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第4章加工刀具自动化 4 1自动化机床的刀具和辅助工具4 2自动化换刀装置4 3排屑自动化4 4实例视频 4 1自动化机床的刀具和辅助工具 4 1 1对自动化机床刀具的要求4 1 2刚性自动化刀具及辅具4 1 3数控机床和柔性自动化加工用的工具系统4 1 4刀具的快换及调整 4 1 1对自动化机床刀具的要求 自动化机床基本可以分为以自动生产线为代表的刚性专门化自动化机床和以数控机床 加工中心为主体所构成的柔性的通用化自动化机床 单机或生产线 在刚性自动化生产中 是以尽可能提高刀具的专用化程度为基础来取得最佳的总体效益的 又因其加工的产品品种单一 机床 刀具和夹具基本上是专用的 刀具及其辅助工具 简称辅具 相对简单 4 1 1对自动化机床刀具的要求 在柔性制造系统中 则是在满足自动化生产要求的基础上 以刀具及其工具系统的标准化 系列化和模块化 尽可能提高刀具的通用化程度为基础来取得最佳的总体效益的 所用刀具及其辅具种类较多且复杂 应充分考虑刀具及其工具系统的构成 刀具数据库的建立 刀具信息编码与识别 刀具调整等问题 4 1 1对自动化机床刀具的要求 为了适应自动化加工机床连续性生产 所用刀具除应满足一般刀具所具备的高硬度 足够的强度和韧性 良好的耐热和耐磨性 良好的加工性及经济性等条件外 还应尽量满足以下要求 1 尺寸耐用度高 2 断 卷 屑和排屑方便可靠 3 刀具的更换和调整方便 4 实现刀具的标准化 系列化和通用化 5 设置加工及刀具工作状态的监控及检测装置 1 尺寸耐用度高 尺寸耐用度高是指在一次调刀的条件下 刀具能切出符合尺寸精度要求的合格零件数 或是指在保证尺寸精度的前提下 刀具一次调刀后所能使用的机动时间 为了减少换刀次数和调整时间 要求自动化机床用刀具切削部分材料的切削性能好 耐用度高 2 断 卷 屑和排屑方便可靠 由于自动化机床的加工往往是在封闭的环境里进行的 其加工过程一般不需要人工干预 所以 可靠的断屑和排屑对保证加工质量及设备安全意义重大 因此要求所用刀具应能可靠地断 卷 屑 便于实现自动排屑 3 刀具的更换和调整方便 自动化机床使用的刀具种类较多 所用的刀具数量从几十把到上百把 为了尽量减少装卸和调整刀具所需的辅助时间 要求采用可调整刀具 在线外预调好刀具尺寸 并采用各种快换刀架和刀夹 以保证准确而迅速地实现换刀 减少换刀的时间损失 某些情况下还要适应自动换刀的需要 如加工中心 4 实现刀具的标准化 系列化和通用化 这样不仅便于刀具的制造 降低刀具的费用 也有利于减少刀具及辅助工具的品种和规格 便于管理和实现自动化换刀 从而降低生产成本和提高生产效率 特别是一些具有柔性制造系统 FMS 的现代制造车间 通常建立有FMS刀具管理系统 负责刀具的运输 存储和管理 适时地向加工单元提供所需的刀具 监控管理刀具的使用等 这也需要以刀具的标准化 系列化和通用化为基础 实现对刀具的集中监控和管理 5 设置加工及刀具工作状态的监控及检测装置 为保证刀具在正常的切削条件下稳定可靠地进行加工 避免意外事故 如孔内切屑堵塞等 损坏刀具 造成零件报废 甚至损坏机床 应设置加工过程及刀具工作状态的监控与自动检测装置 即按刀具的过载保护及破损检测要求 设置刀具的破损信号显示及报警装置 4 1 2刚性自动化刀具及辅具 组合机床及其自动线是大批量生产中常用的刚性自动化设备 属于专门化的生产形式 所用刀具的专门化程度高 其工具系统相对简单 在刚性自动化系统中 根据工艺要求与加工精度的不同 常用的刀具有 一般刀具 复合刀具和特殊工具等 为了在组合机床及其自动线上实现切削刀具的快换和实现一些较特殊的工艺内容 采用了各种标准的和专用的辅具 4 1 2刚性自动化刀具及辅具 常用的标准辅具有各种浮动卡头 快换卡头和接杆等 专用辅具是为了完成一些特殊的加工内容而设计的 常见的有孔内切槽 端面或止口加工 切内锥面 镗球孔等 这些辅具的共同点是都需要刀具的斜向或横向进给 其一般原理是 利用钻镗头在工作进给中 使辅具的一部分顶在夹具或工件上 不再向前进给 而与辅具的另一部分产生相对运动 通过一定的转换机构 将动力滑台的纵向进给运动转换成刀具的横向或斜向运动 4 1 2刚性自动化刀具及辅具 如图4 1所示为采用较简单的斜面传动的切槽刀杆示意图 4 1 3数控机床和柔性自动化加工用的工具系统 这里所谓的工具系统是指用来连接机床主轴与刀具的辅具的总称 以数控机床 加工中心为主体所构成的柔性自动化加工系统 因要适应随机变换加工零件的要求 所用刀具数量多 且要求换刀迅速准确 因此在各种加工中心上还应实现自动换刀 为此 需要采用标准化 系列化 通用化程度较高的刀具和辅具 含刀柄 刀夹 接杆和接套 4 1 3数控机床和柔性自动化加工用的工具系统 目前在数控加工中已广泛采用各种可转位刀具 不少国家或公司都针对数控镗铣加工和数控车削加工等分别制订出标准化和系列化的工具系统 已逐步形成了较为完善的数控车削加工用的工具系统和数控镗铣加工用的工具系统 随着数控机床的发展 目前也出现了可同时适应数控车削和数控镗铣加工的工具系统 4 1 3数控机床和柔性自动化加工用的工具系统 在生产中可根据具体情况按标准刀具目录和标准工具系统合理配置所需的刀具和辅具 供加工系统使用 1 数控车削加工用的工具系统2 数控镗铣加工刀具的工具系统 1 数控车削加工用的工具系统 数控车削加工用的工具系统的构成和结构与机床刀架的型式 刀具类型以及刀具系统是否需要动力驱动等因素有关 数控车床类机床常采用立式或卧式转塔刀架作为刀库 刀库容量为4 8把刀具 一般按加工工艺顺序布置 并实现自动换刀 其特点是结构简单 换刀快速 一次换刀仅需1 2s 对相似性较高的零件加工一般可不换刀 当加工不同种类零件时 需要重新换装刀具或整体交换转塔刀架 1 数控车削加工用的工具系统 如图4 2所示为常见数控车床刀架型式 1 数控车削加工用的工具系统 如图4 3所示为数控车削加工用工具系统的一般结构体系 1 数控车削加工用的工具系统 目前比较典型的车削工具系统有德国DIN69880工具系统 SANDVIK公司的BTS模块式车削工具系统 KENAMETAL公司的KV车削工具系统等 其中DIN69880工具系统具有重复定位精度高 夹持刚性好 互换性强等特点 其基本构成包括非动力刀夹和动力刀夹两大部分 1 数控车削加工用的工具系统 1 非动力刀夹DIN69880非动力刀夹的构成体系如图4 4所示 1 数控车削加工用的工具系统 2 动力刀夹 动力刀夹是在刀夹柄部基本结构相同的基础上 通过柄部内轴传递动力驱动刀具夹头旋转 动力轴的变角是经齿轮机构实现的 DIN69880动力刀夹的构成体系如图4 5所示 2 数控镗铣加工刀具的工具系统 数控镗铣加工刀具的工具系统一般由工具柄部 与工具柄部相联接的工具装夹部分和各种刀具部分组成 工具柄部是指工具系统与机床连接的部分 刀柄的标准分为直柄和锥柄两大类 目前 在数控铣床 加工中心类机床上一般采用7 24的圆锥柄工具 如图4 6所示 这类锥柄不自锁 换刀比较方便 比直柄有较高的定心精度与刚度 但为了达到较高的换刀精度 柄部应有较高的制造精度 2 数控镗铣加工刀具的工具系统 2 数控镗铣加工刀具的工具系统 对于现代化加工 特别是高精度 高速度加工 及自动换刀要求 7 24的工具圆锥柄存在许多不足 如轴向定位精度差 刚度不够 高速旋转时会导致主轴孔扩张 尺寸 质量及所需拉紧力大 换刀时间长等 为此 德国DIN标准中提出了 自动换刀空心柄标准 如图4 7所示是这种刀柄在机床主轴内的安装情况 2 数控镗铣加工刀具的工具系统 4 1 4刀具的快换及调整 为了减少更换和调整刀具所需的辅助时间 可以采用各种刀具快换及调整装置 在线外预调好刀具尺寸 准确而迅速地实现机床上的换刀 实现快速更换刀具的基本方法有 1 更换刀片2 更换刀体 刀具 3 更换刀夹 1 更换刀片 目前在自动化加工中广泛采用各种硬质合金刀具进行切削 刀具磨损后 只要将刀片转过一个角度即可继续使用 整个刀片磨损后 可换上同一型号的新刀片 这种方法简便迅速 无需线外或线内 机床内 对刀调整 换刀精度取决于刀片的精度等级和定位精度 但当机床的工作空间较小时 刀片的拆装及支承面的清理不太方便 1 更换刀片 如图4 9所示为一种机夹可转位车刀的结构示意图 2 更换刀体 从刀夹上取下磨钝了的刀具 再将已在线外调整好的刀具装上即可 这种方法比较方便 迅速 换刀精度高 可使用普通级可转位刀片 也不受机床敞开空间大小的限制 但对刀杆的精度要求较高 并需增加预调装置及预调工作量 2 更换刀体 如图4 10所示是一种可调整轴向定位尺寸的车刀及其线外对刀装置 3 更换刀夹 更换刀具时整个刀夹一起卸下调换 在线外将已磨好的刀具固定在刀夹上进行预调 这种方法能获得较高的换刀精度 一个刀夹可装上几把刀具 缩短了换刀时间 并可实现机械手自动换刀 但需要一套复杂的预调装置 刀夹笨重 手工换刀不方便 3 更换刀夹 如图4 11所示是这种更换刀夹的实例 4 2自动化换刀装置 在机械加工中 大部分零件都要进行多工序加工 在不能自动换刀的数控机床的整个加工过程中 真正用于切削的时间只占整个工作时间的30 左右 其中有相当一部分时间用在了装卸 调整刀具的辅助工作上 因此 采用自动化换刀装置将有利于充分发挥数控机床的作用 4 2自动化换刀装置 具有自动快速换刀功能的数控机床称为加工中心 它可以预先将各种类型和尺寸的刀具存储在刀库中 加工时 机床可根据数控加工指令自动选择所需要的刀具并装进主轴 或刀架自动转位换刀 使工件在一次装夹下就能实现车 钻 镗 铣 铰 锪 扩孔 攻螺纹等多种工序的加工 4 2自动化换刀装置 在数控机床上 实现刀具自动交换的装置称为自动换刀装置 针对自动换刀装置的功能 它必须能够存放一定数量的刀具 即有刀库或刀架 并能完成刀具的自动交换 因此 对自动换刀装置的基本要求是刀具存放数量多 刀库容量大 换刀时间短 刀具重复定位精度高 结构简单 制造成本低 可靠性高 4 2自动化换刀装置 加工中心的自动换刀系统一般由以下四个部分构成 4 2 1刀库4 2 2刀具交换装置4 2 3换刀机械手4 2 4刀具识别装置 4 2 1刀库 刀库是自动换刀系统中最主要的装置之一 它是储存加工所需各种刀具的仓库 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 刀库的容量 布局以及具体结构随机床结构的不同而差别很大 种类繁多 加工中心目前刀库的类型主要有鼓轮式刀库 链式刀库 格子箱式刀库和直线式刀库等 如图4 12所示 4 2 1刀库 4 2 1刀库 鼓轮式刀库又称为圆盘刀库 其中最常见的形式有刀具轴线与鼓轮轴线平行式布局和刀具轴线与鼓轮轴线倾斜式布局两种 具体如图4 12 a b c d 所示 这种形式的刀库在中小型加工中心上应用较多 但因刀具单环排列 空间利用率低 而且刀具长度较长时 容易和工件 夹具干涉 且大容量刀库的外径较大 转动惯量大 选刀运动时间长 因此 这种形式的刀库容量一般不宜超过32把刀具 4 2 1刀库 链式刀库的优点是结构紧凑 布局灵活 容量较大 可以实现刀具的 预选 换刀时间短 当采用多环链式刀库时 刀库外形较紧凑 占用空间较小 适用于大容量的刀库 增加存储刀具数时 只需增加链条长度 而不增加链轮直径 链轮的圆周速度不变 所以刀库的运动惯量增加不多 通常情况下 刀具轴线和主轴轴线垂直 因此 换刀必须通过机械手进行 机械结构比鼓轮式刀库复杂 如图4 12 e 所示 4 2 1刀库 格子箱式刀库容量较大 结构紧凑 空间利用率高 但布局不灵活 通常将刀库安放于工作台上 有时甚至在使用一侧的刀具时 必须更换另一侧的刀座板 如图4 12 f 由于它的选刀和取刀动作复杂 现在已经很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 直线式刀库结构简单 刀库容量较小 一般应用于数控车床和数控钻床 个别加工中心上也有采用 如图4 12 g 4 2 2刀具交换装置 数控机床的自动换刀系统中 实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置 刀具的交换方式及其具体结构对机床的生产率和工作可靠性有着直接的影响 刀具的交换装置通常分为以下两类 1 利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的装置2 利用机械手实现刀具交换的装置 1 利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的装置 在换刀时此装置必须首先将用过的刀具送回刀库 然后再从刀库中取出新刀具 这两个动作不可能同时进行 因此换刀时间较长 如图4 13所示的数控立式镗铣床就是采用这类刀具交换方式的实例 1 利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的装置 其具体换刀过程如下 刀库向右运动 刀座中的弹簧机构卡入刀柄V形槽中 主轴内的刀具夹紧装置放松 刀具被松开 主轴箱上升 使主轴上的刀具放回刀库的空刀座中 然后刀库旋转 将下一步需要的刀具转到主轴下 主轴箱下降 将刀具插入机床的主轴 同时 主轴箱内的夹紧装置夹紧刀具 刀库快速向左返回 将刀库从主轴下面移开 刀库恢复原位 主轴箱再向下运动 便可以进行下一工序的加工 1 利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的装置 如图4 13所示可见 该机床的鼓轮式刀库的结构较简单 换刀过程却较为复杂 它的选刀和换刀由三个坐标轴的数控定位系统来完成 因而每交换一次刀具 工作台和主轴箱就必须沿着三个坐标轴作两次来回运动 因而增加了换刀时间 另外 由于刀库置于工作台上 减少了工作台的有效使用面积 2 利用机械手实现刀具交换的装置 采用机械手进行刀具交换的方式应用得最为广泛 这是因为机械手换刀有很大的灵活性 一方面在刀库的布置和刀具数量的增加上 不像无机械手那样受结构的限制而且可以通过刀具预选择 减少换刀时间 提高换刀速度 机械手的形式和结构根据不同的机床 种类繁多 在各种类型的机械手中 双臂机械手集中体现了以上的优点 在刀库远离机床主轴的换刀装置中 除了机械手外 还要有中间搬运装置 2 利用机械手实现刀具交换的装置 机械手的运动方式又可以分为单臂单爪回转式机械手 单臂双爪回转式机械手 双臂回转式机械手 双机械手等多种 机械手的运动控制可以通过气动 液压 机械凸轮联动机构等方式实现 4 2 3换刀机械手 在自动换刀的数控机床中 机械手的配置形式也是多种多样的 常见的有如图4 14所示的几种 1 单臂单爪回转式机械手2 单臂双爪回转式机械手3 双臂回转式机械手4 双机械手5 双臂往复交叉式机械手6 双臂端面夹紧式机械手 4 2 3换刀机械手 1 单臂单爪回转式机械手 这种机械手的手臂可以回转不同的角度进行自动换刀 手臂上只有一个卡爪 不论在刀库上或是在主轴上 均靠这一个卡爪来装刀及卸刀 因此换刀时间较长 如图4 14 a 所示 2 单臂双爪回转式机械手 这种机械手的手臂上有两个卡爪 一个卡爪只执行从主轴上取下旧刀送回刀库的任务 另一个卡爪则执行由刀库取出新刀送给主轴的任务 其换刀速度比单爪单臂回转式机械手高 如图4 14 b 所示 3 双臂回转式机械手 这种机械手的两臂上各有一卡爪 如图4 14 c 所示 两个卡爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具 回转180 后又同时将刀具放回刀库及装入主轴 换刀时间比以上两种单臂机械手短 是最常用的一种形式 4 双机械手 这种机械手相当于两个单臂单爪机械手 互相配合起来进行自动换刀 其中一个机械手从主轴上取下 旧刀 送回刀库 另一个机械手由刀库里取出 新刀 装入机床主轴 如图4 14 d 所示 5 双臂往复交叉式机械手 这种机械手的两手臂可以往复运动 并交叉成一定的角度 一个手臂从主轴上取下旧刀 送回 刀库 另一手臂由刀库中取出 新刀 装入主轴 整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转 以实现刀库与主轴的换刀工作 如图4 14 e 所示 6 双臂端面夹紧式机械手 这种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同 前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面以抓取刀具 这种机械手则夹紧刀柄的两个端面 如图4 14 f 所示 4 2 4刀具识别装置 刀具 或刀套 识别装置在自动换刀系统中的作用是 根据数控系统的指令迅速准确地从刀具库中选中所需的刀具以便调用 因此 应合理解决换刀时刀具的选择方式 刀具的编码和刀具的识别问题 1 刀具的换刀选择方式2 编码方式3 刀具 刀套 识别装置 1 刀具的换刀选择方式 常用的选刀方式有顺序选刀和任意选刀两种 1 顺序选刀 2 任意选刀 1 顺序选刀 采用这种方法时 刀具在刀库中的位置是严格按照零件加工工艺所规定的刀具使用顺序依次排列 加工时按加工顺序选刀 这种选刀方式无需刀具识别装置 刀库的控制和驱动简单 维护方便 但是 在加工不同的工件时必须重新排列刀库中的刀具顺序 工艺过程中不相邻工步所用的刀具不能重复使用 使刀具数量增加 这种换刀选择方式适合加工批量较大 工件品种数量较少的中 小型自动换刀数控机床 2 任意选刀 采用这种方法时 要预先将刀库中的每把刀具 或刀套 进行编码供选择时识别 因此刀具在刀库中的位置不必按照零件的加工工艺顺序排列 增加了系统的柔性 而且同一刀具可供不同工步使用 减少了所用刀具的数量 因为需要刀具的识别装置 使刀库的控制和驱动复杂 增加了编码工作量 因此 这种换刀选择方式适合于多品种小批量生产 目前多数加工中心都采用任选刀具的换刀方法 2 编码方式 在任意选择的换刀方式中 必须为换刀系统配备刀具的编码和识别装置 其编码可以有刀具编码 刀套编码和编码附件等方式 1 刀具编码方式 2 刀套编码方式 3 编码附件方式 1 刀具编码方式 这种方式是对每把刀具进行编码 由于每把刀具都有自己的代码 因此 可以随机存放于刀库的任一刀套中 这样刀库中的刀具可以在不同的工序中重复使用 用过的刀具也不一定放回原刀套中 避免了因为刀具存放在刀库中的顺序差错而造成的事故 也缩短了换刀时间 简化了自动换刀系统的控制 1 刀具编码方式 刀具编码识别装置的具体结构如图4 16所示 在刀夹前部装有表示刀具编码的五个环 由隔环将其等距分开 再由锁紧环定固 编码环既可以是整体的 也可由圆环组装而成 编码环的直径大小分别表示二进制的 1 和 0 通过这两种圆环的不同排列 可以得到一系列代码 1 刀具编码方式 2 刀套编码方式 这种编码方式对每个刀套都进行编码 同时刀具也编号 并将刀具放到与其号码相符的刀套中 换刀时刀库旋转 使各个刀套依次经过识刀器 直至找到指定的刀套 刀库便停止旋转 这种编码方式取消了刀柄中的编码环 使刀柄结构大为简化 但是这种编码方式在自动换刀过程中必须将用过的刀具放回原来的刀套中 增加了换刀动作 与顺序选择刀具的方式相比 刀套编码的突出优点是刀具在加工过程中可以重复使用 2 刀套编码方式 如图4 17所示为圆盘形刀库的刀套编码识别装置 在圆盘的圆周上均分布若干个刀套 其外侧边缘上装有相应的刀套编码块 在刀库的下方装有固定不动的刀套识别装置 刀套编码的识别原理与刀具编码的识别原理完全相同 3 编码附件方式 编码附件方式可分为编码钥匙 编码卡片 编码杆和编码盘等 其中应用最多的是编码钥匙 这种方式是先给各刀具都缚上一把表示该刀具号的编码钥匙 当把各刀具存放到刀库的刀套中 将编码钥匙插进刀套旁边的钥匙孔中 这样就把钥匙的号码转记到刀套中 给刀套编上了号码 识别装置可以通过识别钥匙上的号码来选取该钥匙旁边刀套中的刀具 与刀套编码方式类似 采用编码钥匙方式时用过的刀具必须放回原来的刀套中 3 刀具 刀套 识别装置 刀具 刀套 识别装置是自动换刀系统中的重要组成部分 常用的有下列几种 1 接触式刀具识别装置2 非接触式刀具识别装置 1 接触式刀具识别装置 接触式刀具识别装置应用较广 特别适应于空间位置较小的编码 其识别原理如图4 19所示 接触式刀具识别装置结构简单 但由于触针有磨损 故寿命较短 可靠性较差 且难以快速选刀 1 接触式刀具识别装置 装在刀柄1上的编码环 大直径表示二进制的 1 小直径表示二进制的 0 在刀库附近固定一刀具识别装置2 从中伸出几个触针3 触针数量与刀柄上的编码环对应 每个触针与一个继电器相连 当编码环是大直径时与触针接触 继电器通电 其二进制码为 1 当编码环为小直径时与触针不接触 继电器不通电 其二进制码为 0 当各继电器读出的二进制码与所需刀具的二进制码一致时 由控制装置发出信号 使刀库停转 等待换刀 2 非接触式刀具识别装置 非接触式刀具识别装置没有机械直接接触 因而无磨损 无噪声 寿命长 反应速度快 适应于高速 换刀频繁的工作场合 常用的有磁性识别和光电识别两种方法 1 磁性识别法 2 光电识别法 1 磁性识别法 磁性