机床自动换刀装置

第一章、刀架和自动换刀装置设计一、机床刀架和自动换刀装置的功能、类型和应满足的要求(一) 机床刀架和自动换刀装置的功能机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架、转塔车床的转塔刀架、回轮式转塔车床的回轮刀架、自动车床的转塔刀架和天平刀架等。

这些刀架既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。

随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。

加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，实现了大容量存储刀具静自动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。

这种刀库和换刀机械手组成的自动换刀装置，就成为加工中心的主要特征。

(二) 机床刀架和自动换刀装置的类型按照安装刀具的数目可分为单刀架和多刀架。

例如自动车床上的前、后刀架和天平刀架。

按结构形式可分为方刀架、转塔刀架、回轮式刀架等；按驱动刀架转位的动力可分为手动转位刀架和自动(电动和液动)转位刀架。

自动换刀装置的刀库和换刀机械手，驱动都是采用电气或液压自动实现。

目前自动换刀装置主要用在加工中心和车削中心上，但在数控磨床上自动更换砂轮，电加工机床上自动更换电极，以及数控冲床上自动更换模具等，也日渐增多。

数控车床的自动换刀装置主要采用回转刀盘，刀盘上安装8～12把刀。

有的数控车床采用两个刀盘，实行四坐标控制，少数数控车床也具有刀库形式的自动换刀装置。

图3—122a是一个刀架上的回转盘，刀具与主轴中心平行安装，回转刀盘既有回转运动又有纵向进给运动(S纵)和横向进给运动(S横)。

固3—122b为刀盘中心线相对于主轴中心线倾斜的回转刀盘，刀盘上有6～8个刀位，每个刀位上可装两把刀具，分别加工外圆和内孔。

图3—122c装有两个刀盘的数控车床，刀盘1的回转中心与主轴中心线平线，用于加工外圆l刀盘2的回转中心线与主轴中心线垂直，用以加工内表面。

图3—122d 安装有刀库的数控车床，刀库可以是回转式或链式，通过机械手交换刀具。

图3—122e是带鼓轮式刀库的车削中心，图中3为回转刀盘，上面装有多把刀具，4是鼓轮式刀库，其上可装6～8把刀，5是机械手，可将刀库中的刀具换到刀具转轴6上去，6可由电动机驱动回转进行铣削加工，7为回转头，可交换采用回转刀盘3和刀具转轴6，轮翻进行加工。

(三) 机床刀架自动换万装置应满足的要求1) 满足工艺过程所提出的要求。

机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架和刀库上能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面，为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架、刀库可以方便地转位。

2) 在刀架、刀库上要能牢固地安装刀具，在刀架上安装刀具时还应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具变换前后都能处于正确位置。

以保证刀具和工件问准确的相对位置。

刀架的运动精度将直接反映到被加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架运转的终点到位应准确。

而且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。

3) 刀架、刀库、换刀机械手都应具有足够的刚度。

由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀架还直接承受切削力。

考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架刀库和换刀机械手都必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。

4) 可靠性高。

由于刀架和自动换刀装置在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。

5) 刀架和自动换刀装置是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。

目前自动换刀装置的换刀时间统计见表3－18，而且还在进一步缩短。

6) 操作方便和安全。

刀架是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀架设计好坏的指标。

刀架上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄(或手轱)要省力，应尽量设置在便于操作的地方。

二、机床刀架及其转位、定位机构设计(一) 机床上的刀架刀架是机床的重要组成部分，用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。

在一定程度上，刀架的结构与性能体现了机床的设计制造技术水平。

图3－125是卧式车床的四方刀架，当逆时针转动手柄1通过销子2带动轴套3、4和端面凸轮5回转，抬起定位销7继续逆时针转动手柄1，由销子8带动四方刀架转位。

转位后靠弹簧10将钢球9压在刀架坐的圆锥孔内，实现方刀架粗定位，然后，顺时针方向转动手柄1，端面凸轮被复位，定位销7在弹簧6的作用下，重新插入另一定位孔内完成精定位，继续转动手柄1，则依靠螺纹夹紧刀架。

为了提高机床的自动化程度，人们经常采用自动上、下料，自动装卸工件，自动交换刀具等措施。

卧式车床刀架只能装四把刀，加上尾架也最多装五把刀。

而有些零件加工表面很多，需要更多的刀具才能完成。

因而出现了将尾架去掉，在此位置上安装能纵向移动的多工位转塔刀具，这样在转塔上可装六把刀具，加上前刀架、后刀架，这样就可使刀具增加到10把以上，形成转塔车床，这样工件在一次安装中，就可以加工完更多的表面(图3—126)只不过这种转塔刀架的转位换刀一般由液压来完成的。

图3—127是半自动转塔车床的转塔刀架装配图，转塔刀架鞍座1在进给油缸活塞2的驱动下沿床身三角形导轨和平导轨作纵向进给运动。

转位时鞍座退回床身尾部，松夹油缸的下腔进高压油，活塞12带动刀架体5抬起，端面齿盘7、8脱离啮合，同时端面齿形离合器10结合。

转位时由油缸活塞14上的齿条，带动转位齿轮9，离合器10、轴I、刀架体5转位。

调整活塞杆14上的档块位置(图中未显示)可以控制刀架体正确地转过60°或120°。

转位后由弹簧销6粗定位，最后松夹油缸上腔通压力油、刀架体随即被压下，端面齿盘在新的位置啮合，完成精定位，重复定位精度较高。

这时当上腔通以20kg／cm2。

压力油时，将产生6.5t夹紧力，足够满足切削工作的需要。

刀架上可以安装六组刀具、顺序转位，依次参加切削，也可间隔安装三组刀具进行切削实现三工步或六工步两种半自动循环。

刀架转位的同时，通过轴1下端的齿艳传动轴V上的齿轮，再经一对锥齿轮传动六角花轴11(总传动比为1：1)，六角花轴11六个面上的挡块，可分别控制相应的六组刀具纵向进给韵极限位置。

数控机床是一种高度自动化的机床，它的刀架一般都采用自动(电气或液压)转位方式。

图3—128所示为一般经济型数控车床采用的自动转位刀架，转位时，微电机通过齿轮，蜗杆蜗轮带动丝杠转动，使丝杠螺母连同方刀架一起上升，使端面齿脱离啮合。

当螺母上升到一定高度时，粗定位销插人斜面槽，粗定位开关发信号，停转、控制系统将该位置的编码与所需刀具编码加以比较，如相同，则选定此位，控制系统指令电动机反转，由于斜面销的棘轮作用，方刀架只能下降而不能转动。

使端面齿轮啮合(即精定位)。

当方刀架下降到底后，电动机仍继续回转，使方刀架被压紧。

当压紧力(弹簧力)到达预定值(一般为切削力的两倍)时，压力开关发出停机信号，整个过程结束。

(二) 机床刀架的转位机构设计从前面介绍的几种刀架结构看，卧式车床采用手柄进行双向自动分度旋转转轴、端面凸轮、销子带动方刀架转位；转塔车床转塔刀架则采用油缸活塞齿条、齿轮、转动刀架体转位；电动机驱动转位机构。

．1．液压(或气动)驱动的活塞齿条齿轮转位机构这种由液动机驱动的转位机构调速范围大、缓冲制动容易，转位速度可调，运动平稳，结构尺寸较小，制造容易，因而应用较广泛，而转位角度大小可由活塞杆上的限位档块(图3—127)来调整。

也有采用气动的，气动的优点是结构简单，速度可调，但运动不平稳，有冲击，结构尺寸大，驱动力小。

故一般多用在非金属切削的自动化机械和自动线的转位机构中。

2．圆柱凸轮步进式转位机构这种转位机构依靠凸轮轮廓强制刀架作转位运动，运动规律完全取决于凸轮轮廓形状，如图3一132所示。

圆桂凸轮是在圆周面上加工出一条两端有头的凸起轮廓，从动回转盘(相当于刀架体)端面有多个柱销，销子数量与工位数相等。

当圆柱凸轮按固定的旋转方向运动时，B销先进人凸轮轮廓的曲线段，速时凸轮开始驱动回转盘转位，与此同时A销与凸轮轮廓脱离，当凸轮转过180。

时转位动作终止。

B销接触的凸轮轮廓由曲线段过渡到直线段，同时与B销相邻的C销开始与凸轮的直线轮廓的另一侧面接触。

此时即使凸轮继续旋转，回转盘也不会转动，在此间歇阶段B销和C 销同时与凸轮直线轮廓两侧接触，限制了回转盘的转动，此时刀架即处于预定位状态，至此全部分度(转位)动作完成。

由于凸轮是一个两端开口的非闭合曲线轮廓，所以当凸轮正反转时均可带动刀盘作正反两个方向的旋转。

这种转位机构转位速度高、精度较低，运动特性可以自由设计选取但制造较困难、成本较高，结构尺寸较大。

这种转位机构可以通过控制系统中的逻辑电路或PC程序来自动选择回转方向。

以缩短转位辅助时间。

3．伺服电动驱动的刀架转位现代技术的发展，可以采用直线(或交流)伺服电动机驱动蜗杆、蜗轮(消除间隙)实现刀架转位，转位的速度和角位移均可通过半闭环反馈进行精确控制加以实现，如图3－133所示。

(三) 定位机构设计目前在刀架的定位机构中多采用锥销定位和端面齿盘定位。

由于圆柱销和斜面销定位时容易出现间隙，圆锥销定位精度较高，它进人定位孔时一般靠弹簧力或液压力、气动力，圆锥销磨损后仍可以消除间隙，以获得较高的定位精度。

1．端齿盘定位端齿盘定位由两个齿形相同的端面齿盘相啮合而成(图3－134)，由于啮合时各个齿的误差相互抵偿，起着误差均化的作用，定位精度高。

齿盘的齿形角一般有2 等于90°和60°两种。

齿盘的齿数z的选择应根据所要求的分度数以及齿盘外径D的大小来确定。

齿形半角a和齿数z与齿顶半角⊄的关系一般齿盘外径均在100～800mm之间。

且参数z、齿形角α，外径D，定位基准孔径d，重合厚度均已标准化。

2．端齿盘定位的特点(1) 定位精度高由于端齿盘定位齿数多，且沿圆周均布，向心多齿结构，经过研齿的齿盘其分度精度一般可达士3”左右，最高可达0.4”以上，一对齿盘啮合时具有自动定心作用。

所以中心轴的回转精度、间隙及磨损对定心精度几乎没有影响，对中心轴的精度要求低，装置容易。

(2) 重复定位精度好由于多齿啮合相当于上下齿盘齿的反复磨合对研，越磨合精度越高，重复定位精度也越好。

(3) 定位刚性好，承载能力大两齿盘多齿啮合。

由于齿盘齿部强度高，并且一般齿数啮合率不少于90％，齿面啮合长度不少于60％，故定位刚性好，承载能力大。