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1、第十二章 自动化加工刀具,制作：卫彩绒,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。,12.1 自动线刀具,12.1.1 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
2、刀具工作状态检测装置 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%,二、可靠的断屑和卷屑,意义：,2.方法：,不影响刀具的寿命，不妨碍自动线的工作循环，不妨碍切削液的浇注，不擦伤加工表面，不影响零件的输送和定位等。,采用断屑块和断屑槽；采用特殊形状的容屑槽断屑；
3、有高压切削液强迫断屑；利用振动和间断切削断屑等。,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
4、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
5、：,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,12.1.2 自动化加工中刀具尺寸的补偿方法,一、刀具尺寸补偿的优点：,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
6、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
7、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12.1 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。
8、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
9、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
10、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
11、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：,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
12、,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
13、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
14、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
15、，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。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
16、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
17、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入主轴中。,12.2.2 数控机床刀具的工具系统,数控机床工具系统除了指数控机床刀具本身之外，还包括实现刀
18、具快换所必须的定位机构，夹紧机构，抓拿机械以及刀具的保护机构等。数控机床工具系统一般分为两大类：镗铣类数控机床用工具系统和车床类数控机床用工具系统。镗铣类数控机床用工具系统有我国的TSG82工具系统，日本的TMT工具系统等。数控车床用工具系统主要由两部分组成，即刀具和刀夹。这种刀具系统一般可将刀具从刀夹中卸下，为自动换刀提供了方便。刀具和刀夹联接部分的刚性及精度都很高。这种模块式刀具若辅以刀具测头，进给力监测以及自动换刀装置，便可实现无人看管，自动加工。,(一)TMG-10模块式工具系统,各模块的联接采用短圆锥定位，中心螺钉拉紧。,属于这类工具系统的还有德国的Komet公司的ABS工具系统，瑞
19、典Sandvik公司的Varilock工具系统等。,如图12.10,一、工具系统举例,图12.10 模块结构的工具系统,主柄,联接杆,工作头,（二）TSG工具系统,19世纪80年代初我国制定了整体式镗铣类数控机床工具系统的标准（JB/GQ5010-1983,TSG82工具系统形式及尺寸），规定了各式刀柄、刀杆、接长杆等工具代号、结构、尺寸系，还规定了与机床连接采用锥柄形式。,1.用于加工中心机床，带有机械手夹持槽的锥柄代号为“JT”，柄部锥度为7:24。,锥柄具有定心精度高，刚性好，装夹方便，机械手行程短以及和机床连接部分结构简单等优点,2.锥柄与刀具的连接形式主要有,锥柄（JT）直柄接杆（Z
20、B）刀具（图12.11a）；锥柄（JT）锥柄接杆（KH）刀具（图12.11b）；锥柄（JT）带扁尾的莫氏锥孔刀具（图12.11c）；锥柄直接连接镗孔刀具（JT-T）（图12.11d）。,图12.11 柄杆与刀具的联接,3.工具的尺寸系列标准,JT40J3295 镗长杆刀柄，柄部锥度40#，其锥度为7:24，大端直径44.45mm，与接长杆相配合的尺寸为32mm，伸出主轴长度为95mm.ZB32XS1660 三面刃铣刀接长杆，与接长杆刀柄相配合的尺寸为32mm，与三面刃铣刀连接部分的直径为16mm，长度60mm。,JT40ZB32XS1660,工具系统的编号给出了两个主要信息：若为刀柄，左端给出
21、与机床主轴连接的 规格和尺寸；右端给出与刀具（或与接长杆）连接的主要尺寸。,结论,图12.12 接长杆与接长杆的配合,1刀柄 2接长杆,（三）TS工具系统（柔性工具系统）,图12.13 柔性工具系统,切削头与刀体的连接是依靠一对端齿定位块5与一个夹头4来实现的。该端齿块可保证很高的定位精度（重复定位精度在0.002mm以内）和可靠地传递扭矩。夹头通过中心拉杆的移动可牢固地夹持住装于刀体尾部的拉钉2，并将切削头拉紧在端齿面上。拉杆的移动则是通过螺杆（手动）或液压马达（自动）沿轴向移动拉杆3来实现的。,二、刀具尺寸预调,（一）概述,在自动化加工中，为提高调整精度并避免造成太多的停车时间损失，大多在
22、线外将刀具尺寸调好，换刀时不需任何附加调整，即可保证加工出合格的工件尺寸。一般尺寸预调包括：车刀径向、轴向和刀具高度位置的调整、镗刀径向尺寸的调整以及铣刀与棒状刀具（如钻头）轴向尺寸的调整。,图12.14所示为一种可预调长度尺寸的车刀，在专门的对刀器上对刀。对刀时，先把车刀中的定长杆3压入刀杆内并紧固，使车刀长度稍小于要求值。将车刀置于对刀器（图12.15）中并定好位，使车刀底面和一个侧面与相应对刀器上的两个基面紧密贴合，并使刀尖接触对刀器。松开定长杆，使其在弹簧压力下，自然弹出顶在对刀器的挡壁上，达到要求预调的尺寸，最后拧紧紧固螺钉4。在对刀过程中，应压紧刀杆，使其承受三个分力组成的合力 的
23、作用，以保证良好地定位。,（二）不同结构的刀具尺寸预调装置,1.可预调长度尺寸车刀,图12.14 可预调长度的车刀,图12.15 简易对刀装置,微调镗刀的刀尖半径R和长度L调整方法如下：将镗刀杆插入调刀仪主轴 2孔内，启动锁紧开关将刀杆锁紧。用右边手轮沿水平方向左右移动主轴位置。上、下、左、右移动光屏，在光屏的十字线对准刀尖，微调主轴。有光屏上找到刀尖的最高点。应注意：此时刀尖的成像尖最为清晰。读数时，使光屏的一条十字线对准游标O点，十字线中心瞄准刀尖的最高点。刀尖半径尺寸R用光学读数头读出，转动读数头上部的滚花手轮，使刻尺的某条刻线成像于光学读数头的双狭线正中，即可从读数头中读出尺寸R的数值
24、。读数头的最小格值为0.005mm。刀尖的长度尺寸L可从装在立住3上的标尺和游标读出，游标最小格值为0.02mm。该仪器还可以用光屏座的刻度和游标预调刀尖角度，其最小格值为10分。应当指出：在自动化加工系统中，调刀仪和计算机相连，检测出调刀的尺寸，直接存入计算机，便于随时调用。,2.光学调刀仪,3.微调镗刀,它主要用于镗、铣刀的尺寸预调。,图12.16,图12.17,图12.16 DOG型光学测刀仪,1底座 2主轴 3立柱 4投影瞄准器 5光学读数头 6机座,图12.17 微调镗刀及尺寸预调,(a)(b),12.2.3 数控机床刀具的选用原则,数控机床刀具可分为标准刀具和专用刀具两大类。应尽量
25、减少使用专用刀具，而选用通用标准刀具或刀具标准组合体。数控机床上常用的刀具有：可转位车刀，高速钢麻花钻，机夹扁钻，扩孔钻，铰刀，镗刀，立铣刀，面铣刀，丝锥和各种复合刀具等。刀具的选用与其使用条件、工件材料和尺寸、断屑情况及刀具和刀片的生产供应等许多因素有关。若选择合理，不但能发挥数控机床应有的效率，而且还能提高加工质量，降低生产成本，刀具的结构型式有时也对工艺方案的拟定起着决定性的作用，必须认真对待，综合考虑。,选择原则:,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，例如各种超硬材料（人造金刚石，立方氮化硼，高性能复合陶瓷）制成的刀具，即使选用通用
26、的高速钢（W18Ct4V和W6Mo5Cr4V2）与硬质合金刀具时，也应尽量选用有涂层的型号。在使用前，刀片须经过严格检验。2应选用机夹可转位刀具结构。现行的可转位车刀国家标准(GB534385)中规定的刀具品种，因其刀尖位置精度要求较低，因此只适用于带有快换刀夹的数控机床。因为刀具上刀尖位置的制造误差，可通过快换刀夹和刀具一起在机外预调时得到补偿。如果要求刀具不经过预调使用，则应选用精密级可转位车刀或精化刀具。,3为了集中工序，提高生产率，保证加工精度，应尽可能地选用复合刀具。其中，以孔加工复合刀具使用最为普遍。4精加工孔时，可采用镗孔或铰孔工艺，由于镗刀结构简单，刃磨和调整方便。因此只要在镗杆刚度足够的条件下，应尽量采用镗刀。尤其是当孔径大于80mm时，更宜采用镗刀加工。5应尽量选用各种高效刀具，如高刚性麻花钻，钻扩四刃钻，硬质合金单刃铰刀，精密微调镗刀，波形刃立铣刀等。,本章主要内容是自动线刀具以及数控机床刀具。从自动线刀具的要求、自动线刀具的调整与更换、补偿方法、更换、以及自动线刀具系统到数控机床刀具的更换、工具系统以及选用原则。进而介绍了典型自动加工系统的结构、特点及应用。加工设备的自动化程度越高，对刀具的选用及库存量的要求也越高。,小结,
