第四章刀具自動化課件

1、第四章 刀具自動化刀具是金屬切削加工中不可缺少的工具之一，無論是普通機(jī)床，還是先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床、加工中心機(jī)床以及柔性制造系統(tǒng)，都必須通過刀具才能完成切削加工。所謂刀具自動化，就是加工設(shè)備在切削過程中自動完成選刀、換刀、對刀、走刀等工作過程。第一節(jié) 刀具的自動裝夾 一、自動化刀具結(jié)構(gòu)一、自動化刀具結(jié)構(gòu) 1.自動化刀具的特點(diǎn) 自動化刀具與普通機(jī)床用刀沒有太大的區(qū)別，但為了保證加工設(shè)備的自動化運(yùn)行，自動化刀具需具有以下特點(diǎn)：1) 刀具的切削性能必須穩(wěn)定可靠，應(yīng)具有高的耐用度 和可靠性；2) 刀具應(yīng)能可靠地斷屑或卷屑； 3）刀具應(yīng)具有較高的精度；4）刀具結(jié)構(gòu)應(yīng)保證其能快速或自動更換和調(diào)整；5）刀具應(yīng)配有

2、其工作狀態(tài)的在線檢測與報警裝置；6）應(yīng)盡可能地采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的刀具， 以便于刀具的自動化管理。2.自動化刀具的類型及選用自動化用刀具通常分為標(biāo)準(zhǔn)刀具和專用刀具兩大類。在以自動生產(chǎn)線為代表的剛性自動化生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能提高刀具的專用化程度，以取得最佳的總體效益。而在以數(shù)控機(jī)床、加工中心為主體構(gòu)成的柔性自動化加工系統(tǒng)中，為了提高加工的適應(yīng)性，同時考慮到加工設(shè)備的刀庫容量有限，應(yīng)盡量減少使用專用刀具，而選用通用標(biāo)準(zhǔn)刀具、刀具標(biāo)準(zhǔn)組合件或模塊式刀具。自動化常用的刀具種類有：可轉(zhuǎn)位車刀、高速鋼麻花鉆、機(jī)夾扁鉆、擴(kuò)孔鉆、鉸刀、鏜刀、立銑刀、面銑刀、絲錐和各種復(fù)合刀具等。刀具的選用與其使用條件、工

3、件材料與尺寸、斷屑情況及刀具和刀片的生產(chǎn)供應(yīng)等許多因素有關(guān)。此外，刀具的結(jié)構(gòu)型式有時對工藝方案的擬定也起著決定性影響，因此必須慎重對待，綜合考慮。一般選用原則如下： 1）為了提高刀具的耐用度和可靠性，應(yīng)盡量選用各種 高性能、高效率、長壽命的刀具材料制成的刀具。 2）應(yīng)選用機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具的結(jié)構(gòu)。 3）為了集中工序，提高生產(chǎn)率及保證加工精度，應(yīng)盡 可能采用復(fù)合刀具。 4）應(yīng)盡量采用各種高效刀具。 二、自動化刀具裝夾機(jī)構(gòu)二、自動化刀具裝夾機(jī)構(gòu) 為了充分發(fā)揮自動化加工設(shè)備應(yīng)有的效率，必須要配備一套標(biāo)準(zhǔn)的裝夾機(jī)構(gòu)，建立一套標(biāo)準(zhǔn)的工具系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)快速自動換刀。 在目前自動化加工生產(chǎn)中，比較完善的的工具系統(tǒng)

4、主要有鏜銑類數(shù)控機(jī)床用工具系統(tǒng)（簡稱”TSG”系統(tǒng)）和車床類數(shù)控機(jī)床用工具系統(tǒng)（簡稱“BTS”系統(tǒng)）兩大類，現(xiàn)在也出現(xiàn)了可同時適應(yīng)數(shù)控車削和數(shù)控鏜銑加工的工具系統(tǒng)。它們主要由刀具的柄部（刀柄）、接桿（接柄）和夾頭等部分組成。工具系統(tǒng)中規(guī)定了刀具與裝夾工具的結(jié)構(gòu)、尺寸系列及其連接形式。更完善的工具系統(tǒng)還包括自動換刀裝置、刀庫、刀具識別裝置和刀具自動檢測裝置等。 1.數(shù)控車削加工的刀具裝夾結(jié)構(gòu) 車削加工的工具系統(tǒng)一般由機(jī)床刀架、快換刀夾及其基座和預(yù)調(diào)刀頭等組成，如圖4-3所示。 2數(shù)控鏜銑加工工具系統(tǒng) 數(shù)控鏜銑加工工具系統(tǒng)有整體和模塊兩種不同的結(jié)構(gòu)型式。整體式結(jié)構(gòu)是每把工具的柄部與夾持工具的工作部

5、分連成一體，因此不同品種和規(guī)格的工作部分都必須加工出一個能與機(jī)床連接的柄部，致使工具的規(guī)格、品種繁多，給生產(chǎn)、使用和管理都帶來不便。模塊式工具系統(tǒng)是把工具的柄部和工作部分分割開來，制成各種系列化的模塊，然后經(jīng)過不同規(guī)格的中間模塊，可組裝成一套套不同規(guī)格的工具。這樣既便于制造、使用與保管，又能以最少工具庫存來滿足不同零件的加工要求，因而它代表了工具系統(tǒng)發(fā)展的總趨勢。 第二節(jié)自動化換刀系統(tǒng)自動化換刀系統(tǒng) 為了縮短非切削加工時間，進(jìn)一步提高加工效率，20世紀(jì)60年代末出現(xiàn)了儲有各種類型刀具的刀庫、并具有自動換刀功能，使工件一次裝夾就能自動順序完成各種不同工序加工的數(shù)控機(jī)床，即加工中心機(jī)床。能夠自動地

6、更換加工中所用刀具的裝置稱為自動換刀裝置（Automatic Tool Changer,簡稱ATC）。目前，自動換刀裝置已廣泛地使用于加工中心及其它一些數(shù)控機(jī)床。一、換刀裝置的類型和組成： 常用的自動換刀裝置有如下幾種形式： 1.主軸與刀庫合為一體的自動換刀裝置這種自動換刀裝置的刀庫與主軸合為一體，機(jī)床結(jié)構(gòu)較為簡單，且由于省去了刀具在刀庫與主軸間的交換等一系列復(fù)雜的操作過程，從而縮短了換刀時間，并提高了換刀的可靠性。 2.主軸與刀庫分離的自動換刀裝置這種換刀裝置配備有獨(dú)立的刀庫，因此又稱為帶刀庫的自動換刀裝置。它由刀庫、刀具交換裝置以及主軸等組成。 二、刀庫自動換刀系統(tǒng)一般由刀庫、自動換刀裝置

7、、刀具傳送裝置、識刀裝置等幾個部分組成。刀庫是自動換刀系統(tǒng)中最主要的裝置之一，其功能是貯存各種加工工序所需的刀具，并按程序指令，快速、準(zhǔn)確地將刀庫中的空刀位和待用刀具送到預(yù)定位置，以便接受主軸換下的刀具和便于刀具交換裝置進(jìn)行換刀，它的容量、布局以及具體結(jié)構(gòu)對數(shù)控機(jī)床的總體布局和性能有很大影響。 1.刀庫類型 常用刀庫有盤式刀庫、鏈?zhǔn)降稁旌透褡邮降稁?，如圖4-8所示。2.刀具的選擇方式 根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的選擇指令，從刀庫中將各工序所需的刀具轉(zhuǎn)換到取刀位置，稱為自動選刀。自動選刀方式有兩種： （1）順序選刀方式 將所需刀具嚴(yán)格按工序先后依次插放在刀庫中，使用時按加工順序指令一一取用。 （2）任意選擇方

8、式 這種方式根據(jù)程序指令的要求任意選擇所需要的刀具，刀具在刀庫中可以不按加工順序而任意存放，利用控制系統(tǒng)來識別、記憶所有的刀具和刀座。3.刀具運(yùn)送裝置 當(dāng)?shù)稁烊萘枯^大，布置得離機(jī)床主軸較遠(yuǎn)時，就需要安排兩只機(jī)械手和刀具運(yùn)送裝置來完成新舊刀具的交換工作。一只機(jī)械手靠近刀庫，稱后機(jī)械手，完成拔刀和插刀的動作；另一只機(jī)械手靠近主軸，稱前機(jī)械手，也完成拔刀和插刀的動作。 4.刀具的識別 刀具的識別是指自動換刀裝置對刀具的識別，通?？刹捎玫毒呔幋a法和軟件記憶法。三、自動化換刀機(jī)構(gòu) 1回轉(zhuǎn)刀架 回轉(zhuǎn)刀架常用于數(shù)控車床，是用轉(zhuǎn)塔頭各刀座來安裝或夾持各種不同用途的刀具，通過轉(zhuǎn)塔頭的旋轉(zhuǎn)分度來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動換刀

9、動作。它的形式一般有立軸式和臥軸式。 一般說來，回轉(zhuǎn)刀架定位可靠、重復(fù)定位精度高、分度準(zhǔn)確、轉(zhuǎn)位速度快、夾緊剛性好，能保證數(shù)控車床的高精度和高效率。2.通過主軸換刀 在如今的小型FMS中，通常利用機(jī)床主軸作為過渡裝置，將容納少量刀具（5-10把）的裝載刀架設(shè)計得便于主軸的抓取，先由刀具運(yùn)載工具將該裝載刀架送到機(jī)床工作臺上，然后利用主軸和工作臺的相對移動，將刀具裝入機(jī)床主軸，再通過機(jī)床自身的自動換刀裝置，將刀具一個個地裝入機(jī)床刀庫。這種方法簡單易行，但換刀時間較長，且要占用機(jī)床工時。 3.利用機(jī)械手換刀 換刀機(jī)械手因具有靈活性大、換刀時間短的特點(diǎn)，所以應(yīng)用最為廣泛。換刀機(jī)械手按刀具夾持器的數(shù)量，

10、又可分為單臂式機(jī)械手和雙臂式機(jī)械手。這些機(jī)械手能夠完成抓刀、拔刀、回轉(zhuǎn)、換刀以及返回等全部動作過程。 第三節(jié) 排屑自動化排屑自動化 一、切屑形成原理一、切屑形成原理 切屑是在金屬切削過程中切削層受到刀具前刀面的擠壓后，產(chǎn)生以剪切滑移為主的塑性變形而形成的。以直角自由切削形成連續(xù)型切屑為例，如圖4-12所示。在切削過程中，刀具對切削層作用著正壓力Fn和摩擦力Ff，它們的合力為Fr。切削層內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)P 受合力Fr作用后向刀具逼近（即刀具向前切削）至“1”位置時，剪應(yīng)力達(dá)到材料屈服強(qiáng)度，在該位置上產(chǎn)生了塑性變形，點(diǎn)由“1”移動到“1”處的同時，還在最大剪應(yīng)力方向的剪切面上滑移至“2”處，之后同理繼續(xù)滑

11、移至“3”“4”處，離開“4”處后成為切屑上一個質(zhì)點(diǎn)沿前刀面滑出。在切削層上其余各點(diǎn)，移動至OC線均開始滑移，離開OE線終止滑移，這樣源源不斷，就形成了切屑。 二、排屑裝置類型二、排屑裝置類型 通暢的排屑是自動化加工設(shè)備工作可靠的必要條件。要實(shí)現(xiàn)排屑自動化，就必須要認(rèn)真考慮切屑從加工空間及夾具底座的排除，對自動線還要考慮把各臺機(jī)床的切屑集中排除的問題。 從加工部位排除切屑的方法取決于切屑的形狀、工件的安裝方法、工件的材質(zhì)、加工工藝方法、機(jī)床類型及其附屬裝置的布局等因素，可采用依靠重力或刀具回轉(zhuǎn)離心力將切屑甩出、用壓縮空氣吹屑、用真空吸屑等方法。在夾具結(jié)構(gòu)上采取一定的措施可將切屑從夾具底座中排出

12、。 自動線的集中排屑裝置一般設(shè)置在機(jī)床底座下的地溝中。常用的自動排屑裝置有以下幾種類型：帶式排屑裝置、刮板式排屑裝置、螺旋排屑裝置等。 此外，在某些小型工件的加工自動線中，每一個隨行夾具上都附有一個盛屑器，從工件上切下的切屑都落在盛屑器中，隨著隨行夾具一起運(yùn)行，到達(dá)自動線的一定工位時，用翻轉(zhuǎn)裝置將隨行夾具和盛屑器一起翻轉(zhuǎn)180，把切屑倒在線外的固定地點(diǎn)。采用這種方式，自動線上不再需要設(shè)置專門的排屑裝置，因而結(jié)構(gòu)簡單。但這時切屑量不宜過大，而且不宜在鐵屑飛濺（如銑削）的情況下采用。三、切屑及切削液處理裝置 長期以來，切削液在切削加工中起著不可缺少的作用，但它也對環(huán)境造成了一定的污染。為了減少它的不