机床自动换刀装置.doc

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