8-9机械制造及动画技术-刀具自动化

1、刀具自动化12 刀具作为机械工艺装备的重要组成部分之一，刀具的自动化程度将影响整个机械制造系统的先进性。 刀具自动化：是加工设备在切削过程中自动完成选刀、换刀、对刀、走刀等工作过程。第一节 刀具的自动装夹第二节 自动化换刀系统第三节 排屑自动化一、刀具的自动装夹3自动化刀具的类型及选用 类型：分为标准刀具和专用刀具两大类。 标准刀具又包含通用标准刀具、刀具标准组合件（图5-1）和模块式刀具等三种形式。图51 新型组合车刀组合成刀具组合车刀的优点a刀体可稳固的固定在刀柄底部的支撑面上；b刀头伸出长度短，提高其刚度；c能和其它刀具夹头相配、实现刀具自动更换一、刀具的自动装夹4自动化刀具的类型及选用

2、 选用：在以自动生产线为代表的刚性自动化生产中，应尽可能提高刀具的专用化程度，以取得最佳的效益。 在以数控机床、加工中心为主体构成的柔性自动化加工系统中，为了提高加工的适应性，同时考虑到加工设备的刀库容量有限，应尽量减少使用专用刀具，而选用通用标准刀具、刀具标准组合件或模块式刀具。一、刀具的自动装夹5自动化刀具的类型及选用 选用刀具的原则： 1）为了提高刀具的耐用度和可靠性，应尽量选用各种高性能、高效率、长寿命的刀具材料制成的刀具； 2）应选用机夹可转位刀具的结构； 3）带沉孔、带后角刀片的刀具可优先作为自动化加工刀具； 4）为了集中工序，提高生产率及保证加工精度，应尽可能采用复合刀具。一、刀

3、具的自动装夹6自动化刀具的类型及选用 可转位刀具：a) 可转位面铣刀 b) 可转位立铣刀图52 可转位刀具结构 将带有若干个切削刃口及具有一定几何参数的多边形刀片，用机械夹固方法加紧在刀体上的一种刀具。当在使用过程中一个切削刃磨钝了后，只要将刀片的夹紧松开，转位或更换刀片，使新的切削刃进入工作位置，再经夹紧就可以继续使用。特点：切削刃多，效率高。一、刀具的自动装夹7自动化刀具的类型及选用 带沉孔、带后刀角刀片的刀具：断屑可靠、切屑流出不受阻碍。图53 带沉孔带后角刀片的钻头一、刀具的自动装夹8自动化刀具的类型及选用 复合刀具：多个工序的刀具（同类或不同类）组合到一把刀上，可以同时加工（一次成型

4、）或按先后顺序加工两个或两个以上的表面，也可以完成一个表面的多道工步或多道工序加工。图54 侧铣和面铣复合加工刀具 图55 钻镗复合的加工刀具 减少换刀次数，加工效率高9自动化刀具的装夹机构作用：充分发挥自动化加工设备应有的效率，实现快速自动换刀。 方法：必须要配备一套标准的装夹机构，建立一套标准的工具系统。工具系统：是刀具与机床的接口，并力求刀具的刀柄与接杆实现标准化、系列化、通用化。 实现刀具与机床的连接刀柄：刀具与机床的连接接杆：刀柄与夹头的连接工具系统由刀柄、接杆和夹头组成。10自动化刀具的装夹机构工具系统的分类： 镗铣类数控机床用工具系统（简称”TSG”系统） 车床类数控机床用工具系

5、统（简称“BTS”系统）它们都是由与机床主轴孔相适应的工具柄部（刀柄）、与工具柄部 相联接的工具装夹部分（接杆）和各种刀具部分组成（夹头）11自动化刀具的装夹机构数控工具系统的结构形式：整体式、模块式主要看刀柄与工作部分是否分开的不同品种和规格的工作部分都必须加工出一个能与机床连接的柄部，使得工具品种繁多、管理不便刀柄与各种工作部分组装成不同规格的工具，以最少的工具库满足不同零件加工要求。12自动化刀具的装夹机构工具系统的结构形式：整体式、模块式13刀柄与机床主轴连接 自动化加工设备的刀具和机床的联接，必须要由与机床主轴孔相适应的工具柄部、与工具柄部相联接的工具装夹部分和各种刀具部分来实现。

6、刀柄与刀具相连14刀柄与机床主轴连接BT刀柄（日本标准）：锥度7:24，仅依靠锥面（单面）定位，通过拉钉和主轴内的拉刀装置固定在主轴上。优点一，不自锁，拆卸方便优点二，只需将锥角加工到高精度即可保证配合定心精度高，成本较低，使用可靠。缺点，在高速旋转时定位精度降低，运行不稳定。实心长刀柄，重量大15刀柄与机床主轴连接为了克服BT刀柄仅靠单面定位导致的不利因素，宜采用双面约束过定位除了刀柄锥面定位，还增加端面定位。HSK刀柄（德国标准）BIG-PLUS刀柄（日本标准）高速切削刀柄HSK刀柄采用了锥度1:10的空心短锥柄结构，在拉紧力的作用下，中空刀柄弹性变形，实现锥面（径向）和法兰端面（轴向）双

7、面定位。BIG-PLUS刀柄是锥度为7:24的双面定位刀柄。通过拉杆与拉钉，使主轴锥孔弹性扩张，实现双面定位。16刀柄与刀具连接 高速切削的刀柄和刀具的连接方式主要有高精度弹簧夹头、热缩夹头、高精度液压膨胀夹头。图510 弹簧夹头采用具有一定锥度的锥套（弹簧夹头）作为夹紧单元，利用拉杆或螺母使套锥内径缩小而夹紧刀具。17刀柄与刀具连接 高速切削的刀柄和刀具的连接方式主要有高精度弹簧夹头、热缩夹头、高精度液压膨胀夹头。利用夹头热胀冷缩的物理原理夹紧刀具，结构简单，夹紧力大，动平衡度和回转精度高。图511 热缩夹头 18刀柄与刀具连接 高速切削的刀柄和刀具的连接方式主要有高精度弹簧夹头、热缩夹头、

8、高精度液压膨胀夹头。液压夹头 1拧活塞夹紧螺钉3套筒内孔收缩夹紧刀具2套筒腔内压力增加二、自动化换刀系统19 一、换刀装置（ATC）的类型和组成 1.主轴与刀库合为一体的自动换刀装置 2.主轴与刀库分离的自动换刀装置 二、刀库 1.刀库类型 2.刀具的选择方式3.刀具运送装置 4.刀具的识别三、自动化换刀机构 1回转刀架2.通过主轴换刀 3.利用机械手换刀 自动换刀系统一般由刀库、自动换刀装置、刀具传送装置、刀具识别装置等部分组成。20自动换刀装置的类型与特点： 1.主轴与刀库合为一体的自动换刀装置(多主轴转塔头式换刀装置) 若干根主轴（68）安装在一个可以转动的转塔头上，每根主轴对应装有一把

9、可以旋转的刀具。 根据加工要求可以依次将装有所需刀具的主轴转到加工位置，实现自动换刀， 接通主运动，主轴带动刀具旋转。（更换主轴换刀）特点：1.机床结构简单；2.刀具数量受主轴根数的限制，受空间位置的限制，主轴数目不能太多；3换刀时省去了刀具在刀库与主轴间的交换动作，换刀时间短。只适用与工序较少，精度要求不太高的数控机床，如数控钻床、数控铣床等。转塔头即为刀库转塔头也可与另外的刀库配合，为转塔头提供更多种类的刀具21自动换刀装置的类型与特点： 1.主轴与刀库合为一体的自动换刀装置(多主轴转塔头式换刀装置) 与转塔车床中转塔刀架的区别？（刀库？主轴？）22自动换刀装置的类型与特点： 2.主轴与刀

10、库分离的自动换刀装置(带刀库的自动换刀装置) 组成：刀库、刀具交换装置以及主轴等组成。 只有一根主轴，全部刀具都应具有统一的标准刀柄，由主轴上的刀具自动装卸机构来保证刀具的自动更换；配备有独立的刀库，存放较多的刀具，以适应复杂零件的多工序加工；当需要某一刀具进行切削加工时，将该刀具自动从刀库交换到主轴上，切削完毕后又将用过的刀具自动地从主轴上取下放回刀库 23刀库： 刀库是自动换刀系统中最主要的装置之一 功能： 贮存各种加工工序所需的刀具； 按程序指令，快速、准确地将刀库中的空刀位和待用刀具送到预定位置； 接受主轴换下的刀具和便于刀具交换装置进行换刀。刀库的容量、布局以及具体结构对数控机床的总

11、体布局和性能有很大影响。 24刀库： 刀库的种类：盘式、链式、格子式盘式刀库装刀容量相对较小，主要适用于小型加工中心； 盘式刀库结构简单、紧凑，在钻削中心上应用较多；有径向取刀式和 轴向取刀式。轴向径向斜向刀具能翻转90，简化取刀动作 各种链式刀库a）单环链式 （b）多环链式 （c）折叠链式25刀库： 刀库的种类：盘式、链式、格子式链式刀库装刀容量大，一般在 1100 把刀具，主要适用于大中型加工中心；换刀时链条将要换的刀具传到指定位置，由机械手将刀具装到主轴上，链式刀库是在环形链条上装有许多刀座，刀座的孔中装夹各种刀具，链条由链轮驱动。当链条较长时，可以增加支承链轮的数目，使链条折叠回绕，提

12、高空间利用率。26刀库： 刀库的种类：盘式、链式、格子式刀具分几排直线排列,由纵、横向移动的取刀机械手完成选刀动作，将选取的刀具送到固定的换刀位置刀座上，由换刀机械手交换刀具。由于刀具排列密集，因此空间利用率高，刀库容量大。固定格子盒式刀库27刀具的选择方式：谁来选刀？如何选刀？ 装刀把刀装入刀库 换刀把刀装入主轴 选刀从刀库中将各工序所需要的刀具转换到取刀的位置主轴或换刀/装刀机械手完成由刀库/选刀机械手完成28刀具的选择方式：谁来选刀？如何选刀？ 顺序选刀方式是按照工艺要求依次将所用的刀具插入刀库的刀座中，顺序不能错，加工时按顺序选刀，已经使用过的刀具回到原来的刀座内。事先根据加工工艺顺序

13、在到库内安排好刀具的顺序假设机械手每次从这里取刀假设某零件加工工艺为1车，2铣，3钻，4镗1234不需要刀具识别装置；驱动控制较简单，工作可靠。同一把刀具不能重复使用，若需重复使用同一把刀具，需在刀库中安装两把；更换工件时，刀具顺序要重新安排。29刀具的选择方式：谁来选刀？如何选刀？ 任意选刀方式刀具在刀库中不按加工顺序任意摆放，选刀时，根据刀具（刀座）上的编码来进行识别并选择。刀具用完后存入刀库中任意空位即可。在工件的一次装夹中，刀具可重复使用，刀具数量可比顺序选到方式的少一些；通用性强，应用范围更大。关键：对刀具（刀座）编码，并利用控制系统进行识别30刀具的识别： 刀具编码法采用特殊的刀柄

14、结构（有编码环），用这些编码换对刀具进行编码。任意选刀方式的关键：对刀具（刀座）编码，并利用控制系统进行识别图515 刀具编码法1刀柄 2接触式识别装置 3触针（销） 4数码环 选刀时，刀库旋转，刀具识别装置通过触针（接触式）或传感器（非接触式）读出每把经过刀具的编码，并与所需要的刀具编码比较，当编码匹配时，控制系统使刀库停转。盲人探路，事先不知道所需刀具在哪个位置31刀具的识别： 软件记忆法对刀库中每个刀座进行编号（地址），再对每把刀具编号（取名），每把刀具在刀库中有一个对应的地址，形成一张刀具数据表。任意选刀方式的关键：对刀具（刀座）编码，并利用控制系统进行识别张三住在长征路23号李四住在

15、北京路76号。 。选刀时，根据数据表查找所需刀具号对应的刀座地址，按优化原则转动刀库。选刀前知晓刀具的位置刀具用完后，按优化原则放入任一空位，并更新数据表即可。优化原则：执行自动选刀时，刀库可以正反方向旋转，每次选刀式刀库转动不会超过一圈的1/2。这种换刀方式最常用32刀具运送装置： 当刀库容量较大、布置得离机床主轴较远时，需要两只机械手和刀具运送装置完成新、旧刀具的交换动作。 装刀前机械手（换刀机械手，靠近主轴）从主轴上拔下刀具，刀具运送装置将刀具运回刀库旁，后机械手（装刀机械手，靠近刀库）将刀装入刀库。 换刀后机械手（靠近刀库）从刀库上拔下刀具，刀具运送装置将刀具运至主轴旁，前机械手（靠近

16、主轴）将刀插入主轴。33自动化换刀机构： 自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间刀具传递和刀具装卸的装置称为自动化换刀机构(刀具交换装置)1回转刀架换刀2通过主轴换刀 转位速度快，换刀效率高；定位精度高；常用于数控车床。 利用主轴的移动功能，完成换刀，主轴与刀库之间不需要其它的换刀机构。 虽简单易行，但换刀时间长，且占用机床工时。34数控车床回转刀架换刀35通过主轴换刀36通过主轴换刀（固定刀库）37自动化换刀机构： 自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间刀具传递和刀具装卸的装置称为自动化换刀机构(刀具交换装置)3机械手换刀 灵活性大、换刀速度快，应用最广泛。 根据刀具夹持器数量不同，可分为单

17、臂机械手，双臂机械手3890旋转换刀机械手（双臂机械手）39换刀机械手（单臂机械手）40类型特点适用范围转塔刀架 回转刀架 回转刀架多为顺序换刀换刀时间短，结构简单紧凑，容纳刀具较少 各种数控车床，车削中心机床 转塔头 顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑，但刚性较差，刀具主轴数受限制 数控钻床、镗床 刀库式 刀库与主轴之间直接换刀 换刀运动集中，运动部件少。换刀时间长，且占用机床工时，适应性差 各种类型的自动换刀数控机床，尤其是对使用回转类刀具的数控镗铣，钻镗类立式、卧式加工中心机床，要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置类型，用于加工工艺范围的立、卧式车削

18、中心机床 用机械手配合刀库换刀 刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，比刀库作换刀运动惯性小，速度快 用机械手、运输装置配合刀库换刀 换刀运动分散，有多个部件实现，运动部件多，但布局灵活，适应性好 有刀库的转塔头换刀装置 弥补转换刀数量不足的缺点，换刀时间短 扩大工艺范围的各类转塔式数控机床 自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围41刀具的自动装夹自动化换刀系统自动化刀具的分类与选用原则；工具系统；刀柄与机床主轴连接；刀柄与刀具连接自动换刀装置的类型与特点；刀库的种类、选刀方式与刀具识别；自动化换刀机构上次课内容回顾三、排屑自动化42在自动化机械加工中，切屑必须随时被排除、运走并回收利用；切削

19、液也必须被回收、净化再利用，这可以减少污染，保护工作环境，并保证加工的顺利进行。为了实现自动排屑，除了要研究切屑的类型及其对排屑的影响，从加工方法、刀具、工件热处理等方面采取措施，使之形成不影响正常加工并易于排除的切屑形态，而且还要研究自动化排屑的有效方法。三、排屑自动化43排屑自动化包括以下三个方面： 从加工区域把切屑清除出去； 从机床内把切屑运输到自动线外； 从切削液中把切屑分离出去，使切削液能继续回收使用。44金属切削的过程实际上是一种挤压变形的过程。以塑性材料的切屑形成为例，金属切削区可大致划分为：三个变形区 第一变形区剪切滑移区 第二变形区挤压摩擦区 第三变形区挤压摩擦回弹区 弹性变

20、形塑性变形剪切滑移形成切屑切屑是在金属切削过程中切削层受到刀具前刀面的挤压后，产生以剪切滑移为主的塑性变形而形成的。切屑的形成 45切削变形过程紫铜切削46 确定排屑方法的因素取决于切屑的形状、工件的安装方法、工件的材质、加工工艺方法、机床类型及其附属装置的布局等。形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小， 刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大， 刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低

21、，切削速度较低加工硬脆材料， 刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小， 妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑节状切屑粒状切屑崩碎切屑切屑类型及形成条件47 排屑方法可采用依靠重力或刀具回转离心力将切屑甩出、用压缩空气吹屑、用真空吸屑等方法。在夹具结构上采取一定措施，可将切屑从夹具底座排除。自动线的集中排屑装置一般设置在机床底座下的地沟中。常见的类型有带式排屑装置、刮板式排屑装置、螺旋排屑装置等。481. 带式排屑装置特点：适用于在铸铁工件上进行孔加工工序，输送切屑量不宜大于25m

22、3/h，不适宜加工钢件或铣削铸铁工件，同时也不宜在采用切削液的条件下使用。 联想：自动线输送系统中的带式输送系统适用于输送散状物料及单件质量不大的单件。492.刮板式排屑装置特点：这种铺设在地沟里的链条板式排屑装置，不适用于运送加工钢件时获得的带状切屑 。图520 刮板式排屑装置1刮板 2封闭式链条 3支承 4上支承 5、6链轮 7深坑 原理：链条2内侧的刮板1将地沟中的切屑刮到深坑7中，再用提升装置将切屑提起倒入小车运走。502.刮板式排屑装置特点：这种铺设在地沟里的链条板式排屑装置，不适用于运送加工钢件时获得的带状切屑 。513. 螺旋排屑装置特点：设置在机床中间底座内，可用于各种切屑，特

23、别适用于钢屑，输送切屑量小于8 m3/h。图521 螺旋排屑装置1减速器 2万向接头 3螺旋器 524. 随行夹具排屑 在某些小型工件的切削加工自动线中，在每个随行夹具上附有盛屑器，从工件上切削的切屑落入盛屑器，并随随行夹具一起运行，到达自动线的一定工位时，用翻转装置将随行夹具和盛屑器一起翻转180，把切屑倒入指定位置。特点：无需专门设置排屑机构，结构简单；切屑量不宜过大；不宜在切屑飞溅（如铣削）的情况下使用。53切屑及切屑液的处理装置 为什么要对切削液进行处理？ 切削液在切削加工中起着不可缺少的作用，但也对环境造成了一定的污染。为了减少它的不良影响，一方面可采用干切削或准干切削等先进加工方法来减少切削液的使用量，另一方面要加强对它的净化处理，以便进行回收利用，减少切削液的排放量。54切屑及切屑液的处理装置 切削液的净化处理将它在工作中带入的碎屑、砂轮粉末等杂质及时清除。常用的方法有过滤法和分离法。 过滤法是使用多孔材料制成过滤器，以除去在工作中切削液产生的杂质。 分离法是应用重力沉淀、惯性分离、磁性分离、涡旋分离等装置，除去污液中的杂质。55切屑及切屑液的处理装置 1.