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1、第十三章 数控刀具及其工具系统,进入20世纪80年代以来，国际生产工程的最大特点之一是计算机控制的自动化加工技术高速度发展。 工具生产者的业务范围由过去单纯的刀具生产扩展为工具系统、工具识别系统、刀具状态监测系统以及刀具管理系统的开发与生产以满足数控机床（CNC）、加工中心（MC）、柔性制造单元（FMC）和柔性制造系统（FMS）等加工的要求，促使整个自动化加工过程生产效率的提高。,13.1 自动线刀具,13.1.1 自动线刀具要求,1.要求：,自动线生产率高、辅助时间少,2.特点：,1切削性能稳定可靠 2可靠的断屑和卷屑 3应具有高的精度 4精确而迅速的调整 5快速或自动更换 6各种必要的刀具
2、工作状态检测装置 7复合程度高 8标准化、系列化和通用化,一、切削性能稳定可靠,要求：,具有高的硬度，足够的强度和韧性以及较好的耐磨性和热硬性。,2.评价指标：,1)尺寸耐用度指标T,2)可靠性指标Tp,尺寸耐用度是指刀具在两次调整之间所能加工出的符合尺寸精度的合格零件数量或相应的加工时间.,规定可靠度P0.9（即90%）时刀具的切削时间,如T0.9=1小时，表示刀具耐用度为1小时其可靠性为90%,三、应具有高的精度,1）刀具及其装夹结构也必须具有很高的精度，能保证在机床上的安装精度（通常在0.005mm以内）和重复定位精度。 2）刀具切削部分的几何尺寸变化要小，刀杆和刀片反复装卸也应能保持精
3、度稳定。 3）装刀片的刀杆的加工精度也应提高。或者选用精化刀具，以保证高要求的刀尖位置精度。,四、精确而迅速的调整,为了保证工件尺寸在预定的公差范围内，必须对刀具及时进行调整。为了减少调整时间，这种调整应当是简便迅速的。,五、快速或自动更换,意义：,2.方法：,减少因换刀而造成的停机时间,（1）机外调整刀具,（2）采用耐用度计数器,在预调室内把刀具的相对尺寸调整好，然后再装到机床上，使之能与机床快速、准确地接合和脱开，并能适应机械手或机器人的操作。,按规定耐用度定时更换刀具(即是在自动线的自动循环过程中换刀),3.因此：,联接刀具的刀柄、刀杆、接杆和装夹刀头的刀夹，已发展成工具系统。,六、各种
4、必要的刀具工作状态检测装置,生产过程中往往会由于一些偶然性因素，诸如刀具或刀片、以及工件材料上的一些缺陷造成刀具的突然崩刃或折断，这时就必须及时报警。,意义：,2.原理：,随时将刀具状态（磨损或破损）的监测结果输入计算机，及时发出调整或更换刀具的指令，以保证工作循环的正常进行与加工质量,该装置的性能必须稳定可靠，防止意外事故，避免不必要的损失。,3.要求：,七、复合程度高,意义：,2.方法：,减少刀具数量，降低刀具管理难度。提高生产效率，保证加工精度。,如钻-扩、扩-铰、扩-镗等,八、标准化、系列化和通用化,有利于编排加工程序和刀具的管理,13.1.2 自动化加工中刀具尺寸的补偿方法,一、刀具
5、尺寸补偿的优点：,1）能够补偿由于刀具磨损而造成工件径向尺寸的变化，刀具材料可充分利用； 2）加快调整速度，大大减少循环外的时间损耗，提高机床负荷率； 3）提高调整精度，从而可大大缩小工件径向尺寸分布区； 4）对刀具或刀片的制造精度的要求可以降低，从而降低了制造成本； 5）如果把测量装置与补偿装置接合起来，并使其自动化，便可实现刀具的自动补偿功能。,二、刀具补偿方式的分类 ：,1.位移和变位两种主要方式 （见表12.1）,2.按刀具位移方式补偿又可分为四类：,1）利用刀具直线运动进行补偿，常见于镗刀和车刀的补偿； 2）利用刀具摆动，使刀具的刀尖产生径向微量位移补偿，可用于镗刀的补偿； 3）利用
6、刀夹弹性变形，使刀具的刀尖产生径向微量位移来进行补偿。常用于镗刀的自动补偿； 4）利用刀头张开的方式进行微量补偿，多用于铰刀的补偿。,表12.1 刀具补偿方式,三、尺寸自动补偿系统,在自动化加工中，对于精加工，多采用加工过程中的尺寸控制系统，即尺寸自动误差补偿系统来提高加工精度和刀具耐用度。,所谓尺寸误差系统，是对加工过程中的工件已加工表面尺寸进行自动误差检测和处理，使之转化为控制信息，以控制补偿执行装置，使刀具按预定的数值产生径向微量位移，以补偿刀具磨损等原因所造成工件尺寸的变化，从而提高加工精度。,尺寸补偿系统是由自动测量装置、控制装置和补偿执行装置三部分组成,1.尺寸自动补偿系统,图12
7、.1 车刀尺寸自动补偿系统图,2.尺寸自动补偿系统的分类,直接补偿和间接补偿,直接补偿：以工件的实测误差为依据进行误差补偿来提高加工精度,间接补偿：仅对机床执行部件的位置坐标误差进行补偿,大部分为间接补偿,四、尺寸补偿执行装置,由于尺寸补偿系统都是用于精加工的，补偿量又是微量的，要达到补偿的效果，关键在于补偿装置的工作性能。它的基本要求有：,1）能保证补偿精度与补偿范围。 2）具有良好的频率响应特性和良好的线性与稳定性。 3）具有足够的刚度。 4）装置应结构紧凑，组成的零件尽可能少，所占空间小，以利于装置的合理布置。 5）要防止由于切削液或切屑的干扰所造成的不得影响。 6）具有控制简单、成本低
8、廉的特点。,把刀具安装在补偿执行装置的可动件上，或者把补偿运动直接传递给工件而不经过中间环节,实现：,五、补偿执行装置结构,1.一种车床加工用补偿刀架,车刀2安装在刀架3上，4为压电晶体补偿元件。 这种刀架的补偿原理是利用某些压电晶体的电伸缩特性，在直流电压（一般为0300V）作用下，补偿元件4伸长，使刀架体3产生弹性变形带动车刀向左移一个微位移，达到尺寸补偿目的。 补偿量要根据所用压电晶体的电压和位移关系而定。,12.2 补偿刀架,2.一种镗刀压电晶体补偿装置,镗刀7利用螺钉10固定在套筒8中，螺钉11用于调整镗刀位置。通交流电或脉冲直流电时，压电晶体管3在每个交流电的正半波（或脉冲直流电的
9、每一个脉冲）时伸长，克服弹性涨套5与压板6之间的碟形弹簧9的弹力，将固定镗刀的套筒顶出，使镗刀获得径向微量位移。在每个交流电的负半波（或脉冲直流电的两脉冲之间）时，压电晶体管3缩短。但由于圆柱弹簧1的作用，楔块2随时间向左移动,顶紧缩短了的压电晶体管3，因而镗刀不会退回，完成补偿作用。如果持续通电，则镗刀继续作径向微量位移，补偿量决定于持续通电时间。当镗刀已经磨损到必须换刀时，则将所有调整元件重新复位待用。 安装在绝缘套4内的弹簧触片14压向压电晶体管并与之绝缘，另一端用导线使其与装在镗杆15外部的插头12连接起来，此插头装入镗杆中的绝缘螺塞13内。导线与弹簧触片及其与压电晶体管之间的接触必须
10、良好。这三者均置于绝缘套中，以保证它们与外部绝缘。,结构简单和成本低，适应于精加工。 使用时要特别注意避免污染及切削液的影响。,注意,图12.3 镗刀压电晶体补偿装置,12.1.3 自动线刀具的更换,强制更换,不同规格的刀具以不同的切削用量在工作，其耐用度相差悬殊，按其耐用度的大小进行分组，实现分批定期强制更换。各组应设有计算刀具实际工作循环的计数器，当达到规定循环数时，便发出信号，进行强制换刀。,强制检查,如果各把刀具的耐用度相差甚大，又难于按组进行强制换刀时，最好对它们进行强制检查，调整工在进行检查刀具的同时要更换已用钝了的这一组刀具，这样可以减少刀具破损的危险性。,更换刀具的基本方式：,
11、更换刀片,更换刀具,更换刀夹,更换刀柄,1.更换刀片,适用,优点,1）被更换元件小，装卸轻便。若是可转位刀具，当一个切削刃磨损后，只需将刀片转位，由新的一边切削刃进行切削，待几边切削刃都磨损后才更换刀片； 2）刀体不换，减少了刀体的周转量及制造量； 3）换刀精度由刀片精度保证，随着刀片精度的提高及精密级刀片产量和品种的增加，采用更换刀片的换刀方式就更显示出优越性，因为这时无需作任何调整。,缺点,1）为了保证刀片的互换性及换刀精度，对刀片的质量要求较高，各个表面均需磨削，以提高刀片精度和粗糙度等级，从而使制造成本增加； 2）由于自动线上布置拥挤，机床上的工作空间很小,刀片的携拆装以及刀片支承面的
12、清理不方便；,用于数控机床和自动线上个别工序和多刀加工机床上,只适用于机械夹固式刀具（含可转位刀具）,2.更换刀具,优点,1）对刀片的精度及粗糙度要求不高，降低了刀片制造成本； 2）可在机外进行换刀预调，能保证较高的换刀精度； 3）换刀简便迅速。,缺点,1）对刀体的精度和粗糙度要求较高，刀体须经过磨制； 2）刀具上备有调整装置，刀具制造成本高； 3）需有机外的预调装置。,3.更换刀夹,适用,优点,1）对刀片和刀体的精度要求都不高； 2）可在机外进行更换预调，换刀精度很高； 3）有利于自动换刀。,缺点,1）被更换的元件大而笨重，装卸不方便； 2）需专门设计刀夹，刀夹的制造精度要求较高； 3）与更
13、换刀体方式比较，机外对刀装置更为复杂，调整也比较麻烦； 4）影响刀架系统刚性。,用于数控机床上的自动换刀装置，也可用于自动线上。,4.更换刀柄,适用,优点,1）便于采用标准工具； 2）同类机床上的刀柄可以通用，便于系列化、标准化,缺点,1）刀具与刀柄的连接往往需用莫氏锥套等中间环节，影响刀具的定位精度和刚性； 2）需专门的机外预调装置。,广泛用于数控机床及自动线上的铣刀、镗刀、丝锥以及钻头、扩孔钻、铰刀等孔加工刀具的更换。,图12.4 更换刀具的基本方式,a)更换刀片 b)更换刀具 c)更换刀夹 d)更换刀柄,12.1.4 自动化加工中工具系统,工具系统包括加工时所用的一系列刀具及装夹刀具（已
14、标准化）,整体结构工具系统,我国用于镗铣类数控机床的工具系统,模块式工具系统,不同品种和规格的装刀部分都必须加工出一个能与机床相连接的柄部，所以致使工具的规格、品种繁多。,把工具的柄部和工作部分分割开来，制成各种系列化的模块，然后使用不同规格的中间模块，组装成一套套不同规格的模块式工具,第12.2中详述,代表了工具系统发展的总趋势,图12.5 整体结构工具系统,与机床连接采用锥柄形式。带有机械手夹持槽的锥柄代号为JT，柄锥为7:24，,12.2 数控机床刀具,随着机械产品产品的形状和结构不断更新，迫使机床设备向通用性和灵活性方向发展，或者说，使机床设备具有“柔性”，以适应生产对象频繁变化的需要
15、。数控机床就是能满足这种要求的一种新型设备。 数控机床主要用于加工单件、中小批量、形状复杂的零件。对于加工批量较大的零件，也正陆续采用数控机床。从发展的趋势看，数控机床已逐步取代专用机床用于自动线生产。 由于数控机床工作的特点，与自动线生产相比，刀具有一些特殊的地方，诸如刀具的存储，在机床上的安装和自动换刀，以及为达到以上目的而具有的一套刀具柄部标准系统等。,12.2.1 数控机床刀具的更换,近年来，出现了自动换刀的数控机床（即多工序数控机床，或称“加工中心“）,机床上的工件一次装夹后，数控系统能控制机床自动更换刀具，顺序地对工件各个加工表面完成铣、镗、扩孔、铰孔及攻丝等多种工序加工。,1.转
16、塔头自动换刀装置,2.刀库自动换刀装置,3.刀库、机械手联合动作的自动换刀装置,目前采用最多的一种自动换刀装置,图12.6 水平转轴自动换刀装置,其工序为： 1粗车外圆， 2钻孔， 3精车外圆， 4镗孔， 5外圆切槽， 6内孔切槽， 7车螺纹， 8精镗孔,每道工序所使用的是通用刀具。为实现刀具的预调和快速装夹，应具有专用刀夹和刀夹与主轴的连接基础。,图12.7 刀库自动换刀装置,换刀顺序如下： 机床工作台快速向右移动，工件5从主轴3下面称开,同时，刀库1移到主轴下面，使刀库中的某一个空刀座对准主轴； 主轴箱下降，将用过的刀具2插入刀库的空刀座中； 主轴箱上升，刀库同时回转，将下一个工步的刀具对准主轴； 主轴箱下降，将下一工步所需刀具插入机床主轴内； 主轴箱带着刀具上升； 机床工作台快速向左返回，刀库移开，同时将工件移到主轴下面，整个换刀过程完毕。,图12.8 机械手换刀装置,a)换刀过程 b)机械手夹持刀具 1主轴箱；2刀具；3机械手；4刀库,机械手3将已切削过的刀具2从主轴中取出，并送回，插入刀座4中，然后从刀库中取出所需的刀具装
