自动换刀装置的形式

6.4.1　自动换刀装置的形式

数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。

回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力；同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。

1．数控车床的换刀形式

（1）四方回转刀架

如图6-15所示为一螺旋升降式四方刀架，适用于轴类零件的加工，它的换刀过程如下：

①刀架抬起。当数控装置发出换刀指令后，电动机23正转，并经联轴套16、轴17，由滑键（或花键）带动涡杆19、涡轮2、轴1、轴套10转动。10的外圆上有两处凸起，可在套筒9内孔中的螺旋槽内滑动，从而举起与9相连的刀架8及上端齿盘6，使6与下端齿盘5分开，完成刀架抬起动作。

②刀架转位。刀架抬起后，轴套10仍在继续转动，同时带动刀架8转过90°（如不到位，刀架还可继续转位180°、270°、360°），并由微动开关发出的信号使电动机23反转，销13使刀架8定住而不随轴套10回转，于是刀架8向下位移，上下端齿盘合拢压紧。涡杆19继续转动则产生轴向位移，压缩弹簧22，套筒21的外圆曲面压缩，开关20使电动机23停止旋转，从而完成一次转位。

③刀架压紧。刀架转位后，由微动开关发出的信号使电动机23反转，销13使刀架8定住而不随轴套10回转，于是刀架8向下移动，上下端齿盘合拢压紧。涡杆19继续转动则产生轴向位移，压缩弹簧22，套筒21的外圆曲面压缩，开关20使电动机23停止旋转，从而完成一次转位。

1、17—轴；2—涡轮；3—刀座；4—密封圈；5、6—齿盘；7、24—压盖；8—刀架；9、21—套筒；10—轴套；11—垫圈；12—螺母；13—销；14—底盘；15—轴承；16—联轴套；18—套；19—蜗杆；20、25—开关；22—弹簧；23—电动机

图6-15　立式四方刀架结构

（2）六甲回转刀架

如图6-16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。在加工轴类零件时，可以换用四方回转刀架。由于两者底部的安装尺寸相同，更换刀架十分方便。

六角回转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。它的动作分为4个步骤：

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1上升，刀架体2抬起，使活动插销10与固定插销9脱开。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。

②刀架转位。当刀架抬起后，压力油从C孔转入液压缸左腔，活塞6向右移动，通过连接板带动齿条8移动，使空套齿轮5进行逆时针方向转动，通过端齿离合器使刀架转过60°。活塞的行程应等于齿轮5节圆周长的1/6，并由限位开关控制。

l、6—活塞；2—刀架体；3—缸体；4—压盘；5—齿轮；7—活塞杆；8—齿条；9—固定插销；l0—活动插销；11—拉杆；12—触头

图6-16　数控车床六角回转刀架

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1带动刀架体2下降。缸体3的底盘上精确地安装着6个带斜楔的圆柱固定插销9，利用活动插销10消除定位销于孔之间的间隙，实现反靠定位。刀架体2下降时，活动插销10与另一个固定插销9卡紧，同时缸体3与压盘4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5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6带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮5在轴上空转。

如果定位和压紧动作正常，拉杆11于相应的触头12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，以及其他转位和定位机构。

（3）转塔头式换刀装置

一般数控机床常采用转塔头式换刀装置，如数控车床的转塔刀架，数控钻镗床的多轴转塔头等。在转塔的各个主轴头上，预先安装有各个工序所需要的旋转刀具，当发出换刀指令时，各种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，而其他处于不同加工位置的主轴都与主运动脱开。转塔头是换刀方式的主要优点在于省去了自动松夹、卸刀、装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，缩短了换刀时间，提高了换刀可靠性。他适用于工序较少，精度要求不高的数控机床。

为了便于卸出主轴锥孔内的刀具，每根主轴都有操纵杆14，只要按压操纵杆，就能通过斜面推动顶出刀具。

转塔主轴头的转位，定位和压紧方式与鼠齿盘式分度工作台极为相似。但因为在转塔上分布着许多回转主轴部件，使结构更为复杂。由于空间位置的限制，主轴部件的结构不可能设计得十分坚固，因而影响了主轴系统的刚度。为了保证主轴的刚度，主轴的数目必须加以限制，否则会使尺寸大为增加。

1—主轴；2—端盖；3—螺母；4—套简；5、6、15—齿轮；7、8—鼠齿盘；9、11—推动轴承；10—转塔刀架体；12—活塞；13—中心液压缸；14—操纵杆；16—顶杆；17—螺钉；18—轴承

图6-17　卧式八轴转塔头

2．加工中心的换刀形式

由于回转刀架、转塔头式换刀装置容纳的刀具数量不能太多，满足不了复杂零件的加工需要。自动换刀数控机床多采用刀库式自动换刀装置。带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成，这是多工序数控机床上应用最广泛的换刀方法。整个换刀过程较为复杂，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在机外进行尺寸预调整之后，按一定的方式放入刀库，换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具。在进行刀具交换之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可安装在主轴箱的侧面或上方，也可作为单独部件安装到机床以外。

（1）刀库的种类

刀库是存放加工过程中所使用的全部刀具的装置，它的容量从几把到上百把刀具。加工中心刀库的形式很多，结构也各不相同，常用的有鼓盘式刀库、链式刀库和格子盒式刀库。

①鼓盘式刀库　鼓盘式刀库结构简单、紧凑，在钻削中心上应用较多。一般存放刀具数目不超过32把。目前，大部分刀库安装在机床立柱的侧面和顶面，当刀库容量较大时，为了防止刀库转动造成的振动对加工精度的影响，也有的安装在单独的地基上。

如图6-18所示为刀具轴线与鼓盘轴线平行布置的刀库，其中图6-18（a）为径向取刀式，图6-18（b）为轴心取刀式。图6-19（a）为刀具径向安装在刀库上的结构，图6-19（b）为刀具轴线与鼓盘轴线成一定角度布置的结构。这两种结构占地面积较大。

图6-18　鼓盘式刀库

图6-19　鼓盘式刀库

②链式刀库　链式刀库是在环形链条上装有许多刀座，刀座的孔中装夹各种刀具，链式刀库有单环链式和多环链式等几种，如图6-20（a）、图6-20（b）所示。当链条较长时，可以增加支承链轮的数目，使链条折叠回绕，提高空间利用率，如图6-20（c）所示。

图6-20　各种链式刀库

③格子盒式刀库　如图6-21所示为固定格子盒式刀库。刀具分几排直线排列，由纵、横向移动的取刀机械手完成选刀运动，将选取的刀具送到固定的换刀位置刀座上，由换刀机械手交换刀具。这种形式刀具排列密集，空间利用率高，刀库容量大。除此之外，还有直线式刀库、多盘式刀库等。

图6-21　格子盒式刀库

（2）换刀方式

数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间刀具传递和刀具装卸的装置称为刀具交换装置。自动换刀的刀具可固紧在专用刀夹内，每次换刀时将刀夹直接装入主轴。刀具的交换方式通常分为有机械手换刀和无机械手换刀两大类。

①无机械手换刀图如图6-22所示，无机械手换刀的方式是利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换，也叫主轴直接式换刀。XH754型卧式加工中心就是采用这类刀具交换装置的实例。机床外形和换刀过程如图6-22所示。

图（a）：当加工工步结束后执行换刀指令，主轴实现准停，主轴箱沿Y轴上升。这时机床上方的刀库的空挡刀位正好处在换刀位置，装夹刀具的卡爪打开。

图（b）：主轴箱上升到极限位置，被更换刀具的刀杆进入刀库空刀位，被刀具定位卡爪钳住，与此同时主轴内刀杆自动夹紧装置放松刀具。

图（c）：刀库伸出，从主轴锥孔内将刀具拔出。

图（d）：刀库转位，按照程序指令要求将选好的刀具转到主轴最下面的换刀位置，同时压缩空气将主轴锥孔吹净。

图6-22　无机械手换刀过程

图（e）：刀库退回，同时将新刀具插入主轴锥孔，主轴内刀具夹紧装置将刀杆拉紧。

图（f）：主轴下降到加工位置后启动，开始下一步的加工。

这种换刀机构不需要机械手，结构简单、紧凑。由于换刀时机床不工作，所以不会影响加工精度，但机床加工效率下降。另外，刀库结构尺寸受限，装刀数量不能太多。这种换刀方式常用于小型加工中心。这种换刀方式，每把刀具在刀库上的位置是固定的，从某个刀座上，用完后仍然放回原来刀座上。

②机械手换刀　采用机械手进行刀具交换的方式应用最为广泛，因为机械手换刀具有很大的灵活性，换刀时间也较短。机械手的结构形式多种多样，换刀运动也有所不同。下面介绍两种最常见的换刀形式。

I）180°回转刀具交换装置

最简单的刀具交换装置是180°回转刀具交换装置，如图6-23所示。接到换刀指令后，机床控制系统便将主轴控制到指定换刀位置；同时刀具库运动到适当位置完成选刀，机械手回转并同时与主轴、刀具库的刀具相配合；拉杆从主轴刀具上卸掉，机械手向前运动，将刀具从各自的位置上取下；机械手回转180°，交换两把刀具的位置，与此同时刀库重新调整位置，以接受从主轴上取下的刀具；机械手向后运动，资金针夹换的刀具和卸下的刀具分别插入主轴和刀库；机械手转回到原位置待命。至此换刀完成，程序继续。这种刀具交换装置的主要优点是结构简单，涉及的运动少，换刀快；主要缺点是刀具必须存放在与主轴平行的平面内，与侧置或后置的刀库相比，切屑及切削液易进入刀夹，刀夹锥面上有切屑会造成换刀误差，甚至损坏刀夹和主轴，因此必须对刀具另加防护。这种刀具交换装置既可用于卧式机床也可用于立式机床。

II）回转插入式刀具交换装置

回转插入式刀具交换装置是最常用的形式之一，是回转式的改进形式。这种装置刀库位于机床立柱一侧，避免切屑造成主轴或刀夹损坏的可能。但刀库中存放的刀具的轴线与主轴的轴线垂直，因此机械手需要三个自由度。机械手沿主轴轴线的插拔刀具动作由液压缸实现；绕竖直轴90°的摆动进行刀库与主轴间刀具的传送由液压马达实现；绕水平轴旋转180°完成刀库与主轴上刀具的交换的动作由液压马达实现。其分解动作如图6-24所示。

图6-23　180°回转刀具交换装置

图6-24　换刀分解动作示意图

图（a）：抓刀爪伸出，抓住刀库上的待换刀具，刀库刀座上的锁板拉开。

图（b）：机械手带着待换刀具绕竖直轴逆时针方向转90°，与主轴轴线平等，另一个抓刀爪抓住主轴上的刀具，主轴将刀具松开。

图（c）：机械手前移，将刀具从主轴锥孔内拔出。

图（d）：机械手绕自身水平轴转180°，将两把刀具交换位置。

图（e）：机械手后退，将新刀具装入主轴，主轴将刀具锁住。

图（f）：抓刀爪缩回，松开主轴上的刀具。机械手绕竖直轴顺时针方向转90°，将刀具放回到刀库相应的刀座上，刀库上的锁板合上。

最后，抓刀爪缩回，松开刀库上的刀具，恢复到原始位置。

为了防止刀具掉落，各种机械手的刀爪都必须带有自锁机构。如图6-25所示为机械手抓刀部分的结构。它由两个固定刀爪5，每个刀爪上还有一个活动销4，它依靠后面的弹簧1，在抓刀后顶住刀具。为了保证机械手在运动时刀具不被甩出，有一个锁紧销2，当活动销4顶住刀具时，锁紧销2就被弹簧3顶起，将活动销4锁住不能后退。当机械手处于上升位置要完成拔插刀动作时，销6被挡块压下使销2也退下，因此可自由地抓放刀具。

l、3—弹簧；2—锁紧销；4—活动销；5—刀爪；6—销

图6-25　机械手臂和刀爪