模具数控铣削加工技术应用

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1、第3章 模具数控铣削加工技术 3.3 刀具补偿 3.4 数控仿真技术 3.2 常用铣削刀具、刀柄 3.1 数控铣床与加工中心 3.5 数控模具铣雕机床 3.6 数控铣床（加工中心）编程基础 3.7 数控铣床（加工中心）编程指令 思考与练习 3.1 3.1 数控铣床与数控铣床与 加工中心加工中心 数控铣床和加工中心一样，在制造业中得到了广泛的应用 。其区别在于加工中心带有刀库和自动换刀装置，是将数控铣 床、数控镗床、数控钻床的功能组合在一起，零件在一次装夹 后，可以将大部分加工面进行铣、镗、钻、扩、铰及攻螺纹等 多工序加工。因此其加工效率优于数控铣床。 3.1.1数控铣床与加工中心组成 数控铣床

2、（加工中心）主要由输入装置、数控装置、驱动 伺服系统、检测装置、机床运动部件和辅助装置组成。 1.输入装置 数控程序编制后需要存储在一定的介质上，按目前的控 制介质大致分为纸介质和电磁介质，通过不同方法输入到数 控装置中去。纸带输入的方法，即在专用的纸带上穿孔，用 不同孔的位置组成数控代码，再通过纸带阅读机将代表不同 含义的信息读入，目前应用较少。穿孔纸带使用ISO和EIA两 种标准信息代码，数控机床能自动识别。手动输入是将数控 程序通过数控机床上的键盘输入，程序内容将存储在数控系 统的存储器内，使用时可以随时调用。特别提醒的是，数控 程序的产生由计算机编程软件或手工输入到计算机中，就可 数控

3、程序通过通讯方式传递到数控系统中，通常使用RS232C 串行口或RJ45口等来完成。 2.数控装置 数控装置是数控铣床（或加工中心）的核心，如图3.1所 示。它是由数控系统、输入/输出接口等组成，它接受到的数 控程序，经过编译、运算和逻辑处理后，输出相应信号到输 出接口上。 3.伺服系统 接收数控装置输出的各种信号，经过分配、放大、转换 等功能，驱动各运动部件完成零件的切削加工。 4.检测装置 位置检测、速度反馈装置根据系统要求不断测定运动部 件的位置或速度，转换成电信号传输到数控装置中，与目标 信号相比较、运算从而进行控制。 5.机床运动部件 包括床身、主轴箱、工作台、进给机构等机械部件组成

4、 ，伺服电机驱动运动部件运动，完成工件与刀具之间的相对 运动。 .辅助装置 辅助装置是指数控铣床（或加工中心）的一些配套部件 ，包括刀库与自动换刀装置、液压和气动装置、冷却系统和 排屑装置等。 3.1.2刀库与自动换刀装置 1.刀库 刀库是储存一定数量的加工刀具与辅助工具，通过机械 手或相对运动实现与主轴上刀具的交换。目前多数加工中心 取送刀具的位置是在刀库中某一固定刀位，所以刀库还需要 有使刀具准确运动的机构来保证换刀的可靠性。刀库中刀具 的定位机构是用来保证要更换的每一把刀具或刀套都能准确 地停在换刀位置上。通常采用电动机或液压系统为刀库转动 提供动力。 （1）刀库容量和换刀时间 刀库容量

5、和换刀时间对加工中心的生产效率有直接影响。 刀库容量是指刀库能存放加工所需要的刀具数量。事实上刀库 中的刀具并不是越多越好，太大的容量会增加刀库的尺寸和占 地面积，使选刀过程时间增长。因此刀库的容量要根据加工工 艺的需要选择。目前常见的中小型加工中心多为1660把，大 型加工中心达100把以上。换刀时间是指带有自动交换刀具系统 的数控机床，将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下一工序需 要的刀具进行交换所需要的时间。目前国内均在1020S内完成 换刀；国外不少数控机床换刀时间仅为45S。 （2）刀库的类型 根据刀库的容量和取刀方式，可以将刀库设计成各种形式 。常见的有： 盘式刀库 如图3.2所示盘

6、式刀库结构简单，应用较多。其优点是结构 简单，成本较低，换刀可靠性较好；缺点是换刀时间长，在刀 库容量较小的加工中心上采用。 链式刀库 如图3.3所示链式刀库结构紧凑，刀库容量较大，链环形 状可以根据机床的布局制成各种形状，也可将换刀位突出以 便于换刀。当需要增加刀具数量时，只需增加链条的长度即 可，给刀库设计与制造带来了方便。一般当刀具数量在30 120把时，多采用链式刀库。 1刀库 2机械手 3主轴箱 4立柱 此外，密集形的鼓轮弹仓式或格子式刀库，虽然占地面积 小，结构紧凑，在相同的空间内可以容纳的刀具数目较多，但 是由于它的选刀和取刀动作复杂，现在已很少用于单机加工中 心，多用于FMS（

7、柔性制造系统）的集中供刀系统。 （3）刀具的选择方式 常见的刀具选择方式有顺序选刀和任意选刀两种。顺序选 刀是在加工之前，将加工零件所需刀具按照工艺要求依次插入 刀库的刀套中，顺序不能有差错，加工时按顺序调刀。加工不 同的工件时必须重新调整刀库中的刀具顺序，因而操作十分烦 琐，而且加工同一工件中各工序的刀具不能重复使用。这样就 会增加刀具的数量，而且由于刀具的尺寸误差也容易造成加工 精度的不稳定。其优点是刀库的驱动和控制都比较简单。因此 这种方式适合加工批量较大、工件品种数量较少的中、小型自 动换刀数控机床。 目前大多数的数控系统都采用任选功能，任选刀具的换刀方式分为 刀套编码、刀具编码和记忆

8、式等。刀具编码或刀套编码需要在刀具或刀 套上安装用于识别的编码条，一般都是根据二进制编码的原理进行编码 的，刀具编码选刀方式采用了一种特殊的刀柄结构，并对每把刀具编码 。每把刀具都具有自己的代码，因而刀具可以在不同的工序中多次重复 使用，换下的刀具不用放会原刀座，有利选刀和装刀，刀库的容量也相 应减少，而且可避免由于刀具顺序的差错所发生的事故。但每把刀具上 都带有专用的编码系统，刀具长度加长，制造困难，刚度降低，刀库和 机械手的结构复杂。刀套编码的方式，一把刀具只对应一个刀套，从一 个刀套中取出的刀具必须放回同一刀套中，取送刀具十分麻烦，换刀时 间长。目前在加工中心上大量使用记忆式的任选方式。

9、这种方式能将刀 具号和刀库中的刀套位置对应地记忆在数控系统的PC中，无论刀具放在 哪个刀套内部都始终记忆着。刀库上装有位置检测装置，可以检测出每 个刀套的位置。这样刀具就可以任意取出并送回。刀库上还设有机械原 点，使每次选刀时就近选取。例如，对于盘式刀库每次选刀运动正转或 反转都不超过180。 （1）自动换刀装置的形式 加工中心自动换刀装置的主要类型、特点与适应范围如表 3.1所示。 2.自动换刀装置 加工中心为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工 工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须 带有自动换刀装置。因此自动换刀装置应当满足如下基本要求 ： 刀具换刀时间短； 刀具重复

10、定位精度高； 足够的刀具储存量； 刀库占地面积小； 安全可靠性高。 类 型特 点适 用 范 围 转 塔 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。但刀库运动多 。布局不灵活，适应 性差 适用回转类 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 范围广的立、卧式 车削中心机床 用机械手配合 刀库进 行换 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，由多个 部件实现 ，运动部件 多，但布局灵活，适

11、应性好 有刀库的转塔头换 刀 装置 弥补转 塔换刀数量不足 的缺点，换刀时间 短 扩大工艺范围的各类 转塔式数控机床 更换主轴头换刀 在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头换刀是一种简 单的换刀方式，主轴头通常有卧式和立式两种，而且常用转塔 的转位来更换主轴头以实现自动换刀，各个主轴头上预先装有 各工序加工所需要的旋转刀具，当收到换刀指令时，各主轴头 依次转到加工位置，并接通主运动使相应的主轴带动刀具旋转 ，而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。 更换主轴头换刀方式的主要优点是省去了自动松夹、卸刀 装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，从而显著减少 了换刀时间，提高了换刀的可靠性，但

12、是由于结构上的原因和 空间位置的限制，主轴的数目不可能很多。因此更换主轴头换 刀通常只适应于工序较少，精度要求不高的数控机床（如数控 铣床）。 带刀库的自动换刀系统 带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具变换机构组成，换刀 过程较为复杂。首先要把加工过程中使用的全部刀具分别安装 在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，按一定的方式放入 刀库。换刀时，先在刀库中选刀，再由刀具交换装置从刀具或 主轴取出刀具进行交换，将新刀装入，并由搬运装置运送刀具 。由于带刀库的自动换刀装置的数控机床的主轴箱内只有一根 主轴，设计主轴部件时能充分增强它的刚度，可满足精密加工 要求。另外，刀库可以存放数量很大的刀具，因而能

13、够进行复 杂零件多工序加工，大大提高机床适应性和加工效率。因此特 别适用于数控钻床、数控镗铣床和加工中心上使用。其缺点是 整个换刀过程动作较多、换刀时间较长、系统复杂、可靠性较 差。 （2）刀具交换装置 数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传 递和装卸刀具的装置称为刀具的交换装置。刀具的交换方式有 两种：由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换和采用机械 手交换刀具。刀具交换方式与它们的具体结构对机床的工作效 率和工作可靠性有直接的影响。无机械手的换刀系统一般是采 用不把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，或整个刀库或某一 刀位能移动到主轴箱可以到达的位置。同时，刀库中刀具的存 放方向一

14、般与主轴上的装刀方向一致。换刀时由主轴运动到刀 库上的换刀位置，利用主轴直接取走或放回刀具。 3.刀库自动换刀的动作过程 我们以VMC15加工中心为例，它具有安装21把刀具的 刀库，其换刀过程靠刀库的移动、转位以及主轴箱的上、下 移动来完成，无须机械手交换刀具，结构简单，可提供可靠 快速的刀具交换方式，目前刀具数目在30把以下的应用较普 遍。 该加工中心刀具在主轴上夹紧与放松的基本原理是以碟 形弹簧的弹性力拉紧，气缸的气压力松开。刀杆采用7：24的 大锥度锥柄，其尾部固定一拉钉，只要拉紧拉钉就可以把刀 杆的锥面定位于主轴端部的锥孔中。 换刀前必须先将刀柄松开，为此发出换刀信息后，其压 缩空气进

15、入拉杆尾部的气缸，活塞受到的气压力克服碟形弹 簧的弹性力，从而压缩碟形弹簧，拉杆下移使钢球能从径向 孔中划出，解除了刀杆的拉力。如图3.4所示为VMC15加工 中心刀库结构示意图。 1刀柄 2刀柄卡簧 3槽轮套 4，5接近开关 6转位电动机 7碟形弹簧 8电动机支架 9刀库转轴 10马氏槽轮 11刀盘 12杠杆 13支架 14刀库导轨 15，20带轮 16接近开关 17带轮轴 18刀库架 19刀库移动电动机 21传动带 1）刀具自动换刀的动作过程。如果把主轴上的6号刀换成8号刀，其过 程如下： （1）主轴上的6号刀装入刀库中的6号刀位 主轴箱回零（Z轴），即位于换刀位置。 主轴停止转动，且周向定位停止。 数控系统发出换刀信号，电动机6转动，通过槽轮套3带动马氏槽轮10 间歇转位， 直至6号空刀位对准主轴方向，接近开关5发出到位信号，电动机6停止 转动。 得到接近开关5的信号同时，电动机19启动，通过带轮20，15及传动 带21，带动杠杆12转动。由于杠杆12前的销子插入支架13的长槽中，而 支架13又与电动机6的支架8由螺钉固定为一体，为此杠杆12的转动使刀 库沿滑移导轨14移至主轴下端，同时刀库周向的防护门打开，主轴上的 6号刀插入刀盘11的6号刀位装刀槽中，此时接近开关16发出信号，表示 装刀完毕。 主轴中的松刀气缸作用，放松6号刀具，主轴箱上移