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数控机床的自动换刀装置的形式
数控机床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序,以缩短辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差,必须带有自动换刀装置。数控车床上的回转刀架就是一种简单的自动换刀装置,所不同的是在多工序数控机床出现之后,逐步发展和完善了各类回转刀具的自动换刀装置,扩大了换刀数量,从而能实现更为复杂的换刀操作。

在自动换刀数控机床上,对自动换刀装置的基本要求是:换刀时间短,刀具重复定位精度高,有足够的刀具存储量,刀库占地面积小及安全可靠等。

各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的形式、工艺范围及其刀具的种类和数量。其基本类型有以下几种。

一、转刀架换刀

回转刀架是一种最简单的自动换刀装置,常用于数控车床。可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具,并按数控装置的指令换刀。

回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度,以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置,对于数控车床来说,加工过程中刀具位置不进行人工调整,因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构,以保证回转刀架在每次转位之后,具有尽可能高的重复定位精度(一般为0.001~0.005mm)。

一般情况下,回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等。回转刀架按其工作原理分为若干类型,如图6-1所示。

图6-1a)所示为螺母升降转位刀架,电动机经弹簧安全离合器到蜗轮副带动螺母旋转,螺母举起刀架使上齿盘与下齿盘分离,随即带动刀架旋转到位,然后给系统发信号螺母反转锁紧。

图6-1b)所示为利用十字槽轮来转位及锁紧刀架(还要加定位销),销钉每转一周,刀架便转1/4转(也可设计成六工位等)。

图6-1c)所示为凸台棘爪式刀架,蜗轮带动下凸轮台相对于上凸轮台转动,使其上、下端齿盘分离,继续旋转,则棘轮机构推动刀架转90º,然后利用一个接触开关或霍尔元件发出电动机反转信号,重新锁紧刀架。

图6-1d)所示为电磁式刀架,它利用了一个有10kN左右拉紧力的线圈使刀架定位锁定。

图6-1e)所示为液压式刀架,它利用摆动液压缸来控制刀架转位,图中有摆动阀芯、拨爪、小液压缸;拨爪带动刀架转位,小液压缸向下拉紧,产生10kN以上的拉紧力。这种刀架的特点是转位可靠,拉紧力可以再加大,但其缺点是液压件难制造,还需多一套液压系统,有液压油泄漏及发热问题。

图6-2所示为数控车床的六角回转刀架,它适用于盘类零件的加工。这种刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制,其换刀过程如下:

(1)刀架抬起。当数控装置发出换刀指令后,压力油由A进入压紧液压缸的下腔,活塞上升,刀架体抬起,使定位活动插销与固定插销脱离。同时,活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮结合。

(2)刀架转位。当刀架抬起之后,压力油从C孔转入液压缸左腔,活塞向右移动,通过连接板带动齿条移动,使空套齿轮作逆时针方向转动,通过端齿离合器使刀架转过60º。活塞的行程应等于齿轮节圆周长的1/6,并由限位开关控制。

(3)刀架压紧。刀架转位之后,压力油从B孔进入压紧液压缸的上腔,活塞带动刀架体下降。缸体的底盘上精确地安装六个带斜楔的圆柱固定插销,利用活动插销消除定位销与孔之间的间隙,实现反靠定位。刀架体下降时,定位活动插销与另一个固定插销卡紧,同时缸体与压盘的锥面接触,刀架在新的位置定位并压紧。这时,端齿离合器与空套齿轮脱开。

(4)转位液压缸复位。刀架压紧后,压力油从D孔进入转位油缸右腔,活塞带动齿条复位,由于此时端齿离合器已脱开,齿条带动齿轮在轴上空转。如果定位和压紧动作正常,拉杆与相应的接触头接触,发出信号表示换刀过程已结束,可以继续进行切削加工。

回转刀架除了采用液压缸驱动转位和定位销定位外,还可以采用电动机-马氏机构转位和鼠盘定位,以及其它转位和定位机构。

二、换主轴换刀

更换主轴换刀是带有旋转刀具的数控机床的一种比较简单的换刀方式。这种主轴头实际上就是一个转塔刀库,如图6-3所示。主轴头有卧式和立式两种,通常用转塔的转位来更换主轴头,以实现自动换刀。在转塔的各个主轴上,预先安装有各工序所需要的旋转刀具,当发出换刀指令时,各主轴头依次地转到加工位置,并接通主运动,使相应的主轴带动刀具旋转。而其它处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。

这种更换主轴换刀装置,省去了自动松、夹、卸刀、装刀以及刀具搬运等一系列的复杂操作,从而缩短了换刀时间,并提高了换刀的可靠性。但是由于空间位置的限制,使主轴部件结构尺寸不能太大,因而影响了主轴系统的刚性。为了保证主轴的刚性,必须限制主轴的数目,否则会使结构尺寸增大。因此,转塔主轴头通常只适用于工序较少、精度要求不太高的机床,例如数控钻、铣床等。

三、更换主轴箱换刀

有的数控机床像组合机床一样,采用多主轴箱,利用更换主轴箱达到换刀的目的,如图6-4所示。主轴箱库8吊挂着备用主轴箱2~7。主轴箱两端的导轨上,装有同步运行的小车Ⅰ和Ⅱ,它们在主轴箱库与机床动力头之间运送主轴箱。

根据加工要求,先选好所需的主轴箱,待两小车运行至该主轴箱处时,将它推到小车Ⅰ上,小车Ⅰ载着主轴箱与小车Ⅱ同时运动到机床动力头两侧的更换位置。当上一道工序完成后,动力头带着主轴箱1上升到更换位置,夹紧机构将主轴箱1松开,定位销从定位孔中拨出,推杆机构将主轴箱1推到小车Ⅱ上,同时又将小车Ⅰ上的待用主轴箱推到机床动力头上,并进行定位夹紧。与此同时,两小车返回主轴箱库,停在下次待换的主轴箱旁的空位。也可通过机械手10在刀库9和主轴箱1之间进行刀具交换。这种换刀形式,对于加工箱体类零件,可以提高生产率。

四、带刀库的自动换刀系统

此类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换机构及刀具在主轴上的自动装卸机构等四部分组成,应用最广泛。

图6-5所示为刀库装在机床的工作台(或立柱)上的数控机床的外观图。
图6-6所示为刀库装在机床之外,成为一个独立部件的数控机床的外观图。此时,刀库容量大,刀具可以较重,常常要附加运输装置来完成刀库与主轴之间刀具的运输。

带刀库的自动换刀系统,整个换刀过程比较复杂。首先要把加工过程中要用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上,在机床外进行尺寸预调整后,插入刀库中。换刀时根据选刀指令在刀库上选刀,由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具,进行刀具交换,然后将新刀具装入主轴,将用过的刀放回刀库。

采用这种自动换刀系统,需要增加刀具的自动夹紧、放松机构、刀库运动及定位机构,常常还需要有清洁刀柄及刀孔、刀座的装置,因而结构较复杂。其换刀过程动作多、换刀时间长。同时,影响换刀工作可靠性的因素也较多。

为了缩短换刀时间,可采用带刀库的双主轴或多主轴换刀系统,如图6-7所示。由图可知,当水平方向的主轴在加工位置时,待更换刀具的主轴处于刀换刀位置,由刀具交换装置预先换刀,待本工序加工完毕后,转塔头回转并交换主轴(即换刀)。

这种换刀方式,换刀时间大部分和机加工时间重合,只需转塔头转位的时间,所以换刀时间短,转塔头上的主轴数目较少,有利于提高主轴的结构刚度,刀库上刀具数目也可增加,对多工序加工有利。但这种换刀方式难保证精镗加工所需要的主轴精度。因此,这种换刀方式主要用于钻床,也可以用于铣镗床和数控组合机床。

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