机械制造及动画技术刀具自动化

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5—1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5—2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5—3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）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5—4侧铣和面铣复合加工刀具

图5—5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自动化刀具的的装夹机构数控工具系统统的结构形式式：整体式、、模块式主要看刀柄与与工作部分是否分开的不同品种和规规格的工作部部分都必须加加工出一个能能与机床连接接的柄部，使使得工具品种种繁多、管理理不便刀柄与各种工工作部分组装装成不同规格格的工具，以以最少的工具具库满足不同同零件加工要要求。12自动化刀具的的装夹机构工具系统的结结构形式：整整体式、模块块式13刀柄与机床主主轴连接自动化加工设设备的刀具和和机床的联接接，必须要由由与机床主轴轴孔相适应的的工具柄部、、与工具柄部部相联接的工工具装夹部分分和各种刀具具部分来实现现。刀柄与刀具相相连14刀柄与机床主主轴连接BT刀柄（日本标标准）：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上。优点一，不自自锁，拆卸方方便优点二，只需需将锥角加工工到高精度即即可保证配合合定心精度高高，成本较低低，使用可靠靠。缺点，在高速速旋转时定位位精度降低，，运行不稳定定。实心长刀柄，，重量大15刀柄与机床主主轴连接为了克服BT刀柄仅靠单面面定位导致的的不利因素，，宜采用双面约束过定定位——除了刀刀柄锥锥面定定位，，还增增加端端面定定位。。HSK刀柄（（德国国标准准）BIG-PLUS刀柄（（日本本标准准）高速切切削刀刀柄HSK刀柄采采用了了锥度度1:10的空心心短锥锥柄结结构，，在拉拉紧力力的作作用下下，中空刀刀柄弹弹性变变形，实现现锥面面（径径向））和法法兰端端面（（轴向向）双双面定定位。。BIG-PLUS刀柄是是锥度度为7:24的双面面定位位刀柄柄。通通过拉拉杆与与拉钉钉，使使主轴锥锥孔弹弹性扩扩张，实现现双面面定位位。16刀柄与与刀具具连接接高速切切削的刀柄柄和刀刀具的的连接接方式式主要要有高高精度度弹簧夹夹头、热缩夹夹头、高精精度液液压膨胀夹夹头。图5—10弹簧夹夹头采用具具有一一定锥锥度的的锥套套（弹弹簧夹夹头））作为为夹紧紧单元元，利利用拉拉杆或或螺母母使套套锥内内径缩缩小而而夹紧紧刀具具。17刀柄与与刀具具连接接高速切切削的刀柄柄和刀刀具的的连接接方式式主要要有高高精度度弹簧夹夹头、热缩夹夹头、高精精度液液压膨胀夹夹头。利用夹夹头热热胀冷冷缩的的物理理原理理夹紧紧刀具具，结结构简简单，，夹紧紧力大大，动动平衡衡度和和回转转精度度高。。图5—11热缩夹夹头18刀柄与与刀具具连接接高速切切削的刀柄柄和刀刀具的的连接接方式式主要要有高高精度度弹簧夹夹头、热缩夹夹头、高精精度液液压膨胀夹夹头。液压夹夹头1拧活塞塞夹紧紧螺钉钉3套筒内内孔收收缩夹夹紧刀刀具2套筒腔腔内压压力增增加二、自动动化换换刀系系统19一、换换刀装装置（（ATC）的类类型和和组成成1.主轴与与刀库库合为一一体的自动动换刀刀装置置2.主轴与与刀库库分离的自动动换刀刀装置置二、刀刀库1.刀库库类类型型2.刀具具的的选选择择方方式式3.刀具具运运送送装装置置4.刀具具的的识识别别三、、自自动动化化换换刀刀机机构构1．回回转转刀刀架架2.通过过主主轴轴换换刀刀3.利用用机机械械手手换换刀刀自动动换换刀刀系系统统一般般由由刀库库、自动动换换刀刀装装置置、刀具具传传送送装装置置、刀具具识识别别装装置置等部部分分组组成成。。20自动动换换刀刀装装置置的的类类型型与与特特点点：：1.主轴轴与与刀刀库库合为为一一体体的自自动动换换刀刀装装置置—————(多主主轴轴转转塔头头式式换换刀刀装装置置)若干干根主轴轴（（6~8）安安装装在一一个个可可以以转转动动的的转转塔塔头头上上，，每每根根主主轴轴对对应应装装有有一一把把可可以以旋旋转转的的刀刀具具。。根据据加加工工要要求求可可以以依依次次将将装装有有所所需需刀刀具具的的主主轴轴转转到到加加工工位位置置，，实实现现自动动换换刀，，接通通主主运运动动，，主轴轴带带动动刀刀具具旋旋转转。（更换换主主轴轴换换刀刀）特点点：：1.机床床结结构构简简单单；；2.刀具具数数量量受受主主轴轴根根数数的的限限制制，，受受空空间间位位置置的的限限制制，，主主轴轴数数目目不不能能太太多多；；3换刀刀时时省省去去了了刀刀具具在在刀刀库库与与主主轴轴间间的的交交换换动动作作，，换换刀刀时时间间短短。。只适适用用与与工工序序较较少少，，精精度度要要求求不不太太高高的的数数控控机机床床，，如如数控控钻钻床床、、数数控控铣铣床床等。。转塔塔头头即即为为刀刀库库转塔塔头头也也可可与与另另外外的的刀刀库库配配合合，，为为转转塔塔头头提提供供更更多多种种类类的的刀刀具具21自动动换换刀刀装装置置的的类类型型与与特特点点：：1.主轴轴与与刀刀库库合为为一一体体的自自动动换换刀刀装装置置—————(多主主轴轴转转塔头头式式换换刀刀装装置置)与转转塔塔车车床床中中转转塔塔刀刀架架的的区区别别？？（（刀刀库库？？主主轴轴？？））22自动动换换刀刀装装置置的的类类型型与与特特点点：：2.主轴轴与与刀刀库库分分离离的的自自动动换换刀刀装装置置—————(带刀刀库库的的自自动动换换刀刀装装置置)组成：刀库、刀刀具交换换装置以及主轴等组成。。只有一根根主轴，，全部刀具具都应具具有统一的标标准刀柄柄，由主轴上的的刀具自自动装卸卸机构来保证刀具的自自动更换换；配备有独独立的刀刀库，存放较多多的刀具具，以适适应复杂杂零件的的多工序序加工；；当需要某一一刀具进行切削削加工时时，将该该刀具自动动从刀库库交换到到主轴上上，切削完完毕后又又将用过过的刀具具自动地地从主轴轴上取下下放回刀刀库23刀库：刀库是自自动换刀刀系统中中最主要要的装置置之一功能：贮存各种加工工工序所所需的刀刀具；按程序指指令，快快速、准准确地将将刀库中的的空刀位位和待用刀具具送到预定定位置；接受主轴轴换下的的刀具和和便于刀刀具交换换装置进进行换刀刀。刀库的容容量、布布局以及及具体结结构对数控机机床的总体布局局和性能有很大影影响。24刀库：刀库的种种类：盘盘式、链链式、格格子式盘式刀库库装刀容量量相对较较小，主主要适用用于小型加工中心心；盘式刀库库结构简单单、紧凑凑，在钻削中心心上应用较较多；有径向取取刀式和和轴向向取刀式式。轴向径向斜向刀具能翻翻转90°，简化取取刀动作作各种链式式刀库a）单环链链式（（b）多环链链式（（c）折叠链链式25刀库：刀库的种种类：盘盘式、链链式、格格子式链式刀库装刀容量量大，一一般在1～100把刀具，，主要适适用于大大中型加加工中心心；换刀时时链条将将要换的的刀具传传到指定定位置，，由机械械手将刀刀具装到到主轴上上，链式刀库库是在环环形链条条上装有有许多刀刀座，刀刀座的孔孔中装夹夹各种刀刀具，链链条由链链轮驱动动。当链条较较长时，，可以增增加支承承链轮的的数目，，使链条条折叠回回绕，提提高空间间利用率率。26刀库：刀库的种种类：盘盘式、链链式、格格子式刀具分几几排直线线排列,由纵、横横向移动动的取刀机械械手完成成选刀动动作，将选取取的刀具具送到固固定的换换刀位置置刀座上上，由换刀机械械手交换换刀具。由于刀刀具排列列密集，，因此空空间利用用率高，，刀库容容量大。。固定格子子盒式刀刀库27刀具的选选择方式式：谁来选选刀？如何何选刀？？装刀——把刀装入入刀库换刀——把刀装入入主轴选刀——从刀库中中将各工工序所需需要的刀刀具转换换到取刀刀的位置置主轴或换换刀/装刀机械械手完成成由刀库/选刀机械械手完成成28刀具的选选择方式式：谁来选选刀？如何何选刀？？顺序选刀方式式——是按照工艺要求求依次将所所用的刀刀具插入入刀库的的刀座中中，顺序序不能错错，加工工时按顺顺序选刀刀，已经经使用过过的刀具具回到原来的刀座内。。事先根据据加工工工艺顺序序在到库库内安排排好刀具具的顺序序假设机械械手每次次从这里里取刀假设某零零件加工工工艺为为1车，2铣，3钻，4镗1234不需要刀刀具识别别装置；；驱动控制制较简单单，工作作可靠。。同一把刀刀具不能能重复使使用，若若需重复复使用同同一把刀刀具，需需在刀库库中安装装两把；；更换工件件时，刀刀具顺序序要重新新安排。。29刀具的选选择方式式：谁来选选刀？如何何选刀？？任意选刀方式式——刀具在刀库中中不按加工顺顺序任意摆放放，选刀时，，根据刀具（刀座））上的编码来进行识别并并选择。刀具用完后后存入刀库中中任意空位即即可。在工件的一次次装夹中，刀刀具可重复使使用，刀具数数量可比顺序序选到方式的的少一些；通用性强，应应用范围更大大。关键：对刀具具（刀座）编编码，并利用用控制系统进进行识别30刀具的识别：刀具编码法——采用特殊的刀柄结构（有有编码环），，用这些编码换换对刀具进行行编码。任意选刀方式的关键：对刀具具（刀座）编编码，并利用用控制系统进进行识别图5—15刀具编码法1—刀柄2—接触式识别装装置3—触针（销）4—数码环选刀时，刀库库旋转，刀具具识别装置通通过触针（接接触式）或传传感器（非接接触式）读出每把经过过刀具的编码码，并与所需要要的刀具编码码比较，当编编码匹配时，，控制系统使使刀库停转。。盲人探路，事事先不知道所所需刀具在哪哪个位置31刀具的识别：软件记忆法——对刀库中每个个刀座进行编号号（地址），再对每把刀具编号（取取名），每把刀具在在刀库中有一一个对应的地地址，形成一一张刀具数据据表。任意选刀方式的关键：对刀具具（刀座）编编码，并利用用控制系统进进行识别张三住在长征征路23号李四住在北京京路76号。。。。。。。选刀时，根据据数据表查找找所需刀具号号对应的刀座座地址，按优化原则转动刀库。选刀前知晓刀刀具的位置刀具用完后，，按优化原则放入任一空位位，并更新数数据表即可。。优化原则：执行自动选刀刀时，刀库可可以正反方向向旋转，每次次选刀式刀库库转动不会超超过一圈的1/2。这种换刀方式式最常用32刀具运送装置置：当刀库容量较较大、布置得得离机床主轴轴较远时，需需要两只机械械手和刀具运运送装置完成成新、旧刀具具的交换动作作。装刀——前机械手（换刀机械手手，靠近主轴轴）从主轴上上拔下刀具，，刀具运送装置置将刀具运回刀刀库旁，后机械手（装刀机械手手，靠近刀库库）将刀装入入刀库。换刀——后机械手（靠靠近刀库）从刀库上拔下下刀具，刀具具运送装置将将刀具运至主主轴旁，前机械手（靠靠近主轴）将将刀插插入入主主轴轴。。33自动动化化换换刀刀机机构构：：自动动换换刀刀装装置置中中，，实现现刀刀库库与与机机床床主主轴轴之之间间刀刀具具传传递递和和刀刀具具装装卸卸的的装装置置称为为自动动化化换换刀刀机机构构(刀具具交交换换装装置置)1．回回转转刀架架换换刀刀2．通通过过主主轴轴换换刀刀转位位速速度度快快，，换换刀刀效效率率高高；；定定位位精度度高高；；常常用用于于数数控控车车床床。。利用用主主轴轴的的移移动动功功能能，，完完成成换换刀刀，，主主轴轴与与刀刀库库之之间间不不需需要要其其它它的的换换刀刀机机构构。虽简简单单易易行行，，但但换刀刀时时间间长长，，且且占占用用机机床床工工时时。。34数控控车车床床回回转转刀刀架架换换刀刀35通过过主主轴轴换换刀刀36通过过主主轴轴换换刀刀（（固固定定刀刀库库））37自动动化化换换刀刀机机构构：：自动动换换刀刀装装置置中中，，实现现刀刀库库与与机机床床主主轴轴之之间间刀刀具具传传递递和和刀刀具具装装卸卸的的装装置置称为为自动动化化换换刀刀机机构构(刀具具交交换换装装置置)3．机机械械手手换换刀刀灵活活性性大大、、换换刀刀速速度度快快，，应应用用最最广广泛泛。。根据据刀具具夹夹持持器器数数量量不同同，，可可分分为为单单臂臂机机械械手手，，双双臂臂机机械械手手3890°°旋转转换换刀刀机机械械手手（（双双臂臂机机械械手手））39换刀刀机机械械手手（（单单臂臂机机械械手手））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换刀刀装装置置的的主主要要类类型型、、特特点点及及适适用用范范围围41刀具具的的自自动动装装夹夹自动动化化换换刀刀系系统统自动动化化刀刀具具的的分分类类与与选选用用原原则则；；工工具具系系统统；；刀刀柄柄与与机机床床主主轴轴连连接接；；刀刀柄柄与与刀刀具具连连接接自动动换换刀刀装装置置的的类类型型与与特特点点；；刀刀库库的的种种类类、、选选刀刀方方式式与与刀刀具具识识别别；；自自动动化化换换刀刀机机构构上次次课课内内容容回回顾顾三、排屑自动化化42在自动化机械械加工中，切切屑必须随时时被排除、运运走并回收利利用；切削液液也必须被回回收、净化再再利用，这可可以减少污染染，保护工作作环境，并保保证加工的顺顺利进行。为了实现自动动排屑，除了了要研究切屑屑的类型及其其对排屑的影影响，从加工工方法、刀具具、工件热处处理等方面采采取措施，使使之形成不影影响正常加工工并易于排除除的切屑形态态，而且还要要研究自动化化排屑的有效效方法。三、排屑自动化化43排屑自动化包包括以下三个个方面：①从加工区区域把切屑清清除出去；②从机床内内把切屑运输输到自动线外外；③从切削液液中把切屑分分离出去，使使切削液能继继续回收使用用。44金属切削的过过程实际上是是一种挤压变变形的过程。。以塑性材料的的切屑形成为为例，金属切切削区可大致致划分为：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弹区弹性变形塑性变形剪切滑移形成切屑▲切屑是在金属属切削过程中中切削层受到到刀具前刀面的挤压后，产产生以剪切滑移为主主的塑性变形形而形成的。切屑的形成45切削变形过程程紫铜切削46▲确定排屑方法法的因素——取决于切屑的形状、工件的安装方法、工件的材质、加工工艺方法法、机床类型及及其附属装置置的布局等。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，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心力将切屑甩甩出、用压缩空气吹吹屑、用真空吸屑等方法。在夹具结构上上采取一定措措施，可将切切屑从夹具底底座排除。自动线的集中排屑装装置一般设置置在机床底座座下的地沟中中。常见的类类型有带式排屑装置、刮板式排屑装置、螺旋排屑装置等。。481.带式排屑装置置▲特点：适用用于在铸铁工工件上进行孔孔加工工序，，输送切屑量量不宜大于25m3/h，不适宜加工工钢件或铣削削铸铁工件，，同时也不宜宜在采用切削削液的条件下下使用。联想：自动线输送系系统中的带式式输送系统——适用于输送散散状物料及单单件质量不大大的单件。492.刮板式排屑装装置▲特点：这种铺设在地地沟里的链条条板式排屑装装置，不适用用于运送加工工钢件时获得得的带状切屑屑。图5—20刮板式排屑装装置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将地沟中的切切屑刮到深坑坑7中，再用提升升装置将切屑屑提起倒入小小车运走。502.刮板式排屑装装置▲特点：这种铺设在地地沟里的链条条板式排屑装装置，不适用用于运送加工工钢件时获得得的带状切屑屑。513.螺旋排屑装置置▲特点：设置置在机床中间间底座内，可可用于各种切屑，特别适用于于钢屑，输送送切屑量小于于8m3/h。图5—21螺旋排屑装置置1—减速器2—万向接头3—螺旋器524.随行夹具排屑屑在某些小型工工件的切削加加工自动线中中，在每个随随行夹具上附附有盛屑器，，从工件上切切削的切屑落落入盛屑器，，并随随行夹夹具一起运行行，到达自动动线的一定工工位时，用翻翻转装置将随随行夹具和盛盛屑器一起翻翻转180°，把切屑倒入入指定位置。。特点：无需专门设置置排屑机构，，结构简单；；切屑量不宜过过大；不宜在切屑飞飞溅（如铣削削）的情况下下使用。53切屑及切屑液液的处理装置置▲为什么要对切切削液进行处处理？切削液在切削削加工中起着着不可缺少的的作用，但也也对环境造成成了一定的污染。为了减少它它的不良影响响，一方面可可采用干切削削或准干切削削等先进加工工方法来减少切削液的的使用量，另一方面要要加强对它的的净化处理，以便进行回回收利用，减减少切削液的的排放量。54切屑及切屑液液的处理装置置▲切削液的净净化处理——将它在工作中中带入的碎屑屑、砂轮粉末末等杂质及时时清除。▲常用的方法法——有过滤法和分离法。——过滤法是使用用多孔材料制制成过滤器，，以除去在工工作中切削液液产生的杂质质。——分离法是应用用重力沉淀、、惯性分离、、磁性分离、、涡旋分离等等装置，除去去污液中的杂杂质。55切屑及切屑液液的处理装置置1.带刮板式排屑屑装置的处理理装置图5—22带刮板式排屑屑装置的处理理装置1—输屑装置2—斜槽3—泵4—吸管5—隔板6—挡板7、8—液室此刮板式排屑屑装置并非自自动线上的