刀具自动化概述

———(多主轴转塔头式换刀装置) 与转塔车床中转塔刀架的
区别？（刀库？主轴？）
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自动换刀装置的类型与特点：
2.主轴与刀库分离的自动换刀装置
———(带刀库的自动换刀装置)
组成：刀库、刀具交换装置以及主轴等组成。 只有一根主轴，全部刀具都应具有统一的标准刀柄，
由主轴上的刀具自动装卸机构来保证刀具的自动更 换； 配备有独立的刀库，存放较多的刀具，以适应复杂 零件的多工序加工；
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刀具的选择方式：谁来选刀？如何选刀？
顺序选刀方式——是按照工艺要求依次将所用的刀具插
入刀库的刀座中，顺序不能错，加工时按顺序选刀，已经 使用过的刀具回到原来的刀座内。
事先根据加工工艺顺序在到库内安排好刀具的顺序
假设机械 手每次从 这里取刀
假设某零件加 工工艺为1车， 2铣，3钻，4镗
▪ 不需要刀具识别装置； ▪ 驱动控制较简单，工
标准刀具—又包含通用标准刀具、刀具标准组合件（图5-1）
和模块式刀具等三种形式。
组合成 刀具
组合车刀的优点
a刀体可稳固的固定在刀柄 底部的支撑面上；
b刀头伸出长度短，提高其 刚度；
c能和其它刀具夹头相配、 实现刀具自动更换
图5—1 新型组合车刀
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一、刀具的自动装夹
自动化刀具的类型及选用
选用： 在以自动生产线为代表的刚性自动化生产中，应尽
软件记忆法——对刀库中每个刀座进行编号（地址），
再对每把刀具编号（取名），每把刀具在刀库中有一个对 应的地址，形成一张刀具数据表。 ▪ 选刀前知晓刀具的位置
▪ 张三住在长征路23号 ▪ 李四住在北京路76号
。。。 。。。
选刀时，根据数据表查 找所需刀具号对应的刀座地 址，按优化原则转动刀库。
优化原则：执行自动选刀时，刀库可以 正反方向旋转，每次选刀式刀库转动不 会超过一圈的1/2。
转塔头也可与另外的 刀库配合，为转塔头 提供更多种类的刀具
特点：1.机床结构简单； 2.刀具数量受主轴根数的限制，受空间位置的限制，主轴数目不能太多； 3换刀时省去了刀具在刀库与主轴间的交换动作，换刀时间短。
只适用与工序较少，精度要求不太高的数控机床，如数控钻床、数控铣
床等。
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自动换刀装置的类型与特点： 1.主轴与刀库合为一体的自动换刀装置
换刀——后机械手（靠近刀库）从刀库上拔下刀具，刀 具运送装置将刀具运至主轴旁，前机械手（靠近主轴）将刀 插入主轴。
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自动化换刀机构： 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自动化换刀机构(刀具 交换装置)
1．回转刀架换刀 转位速度快，换刀效率高；定位精度高；常用于数控车床。 2．通过主轴换刀
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一、刀具的自动装夹
自动化刀具的类型及选用
可转位刀具：
a) 可转位面铣刀 b) 可转位立铣刀 图5—2 可转位刀具结构
将带有若干个切削刃口及具 有一定几何参数的多边形刀 片，用机械夹固方法加紧在 刀体上的一种刀具。当在使 用过程中一个切削刃磨钝了 后，只要将刀片的夹紧松开 ，转位或更换刀片，使新的 切削刃进入工作位置，再经 夹紧就可以继续使用。
图5—4 侧铣和面铣复合加工刀具
图5—5 钻镗复合的加工刀具
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自动化刀具的装夹机构
作用：充分发挥自动化加工设备应有的效率，实现 快速自动换刀。 实现刀具与机床的连接
方法：必须要配备一套标准的装夹机构，建立一套 标准的工具系统。 工具系统由刀柄、接杆和夹头组成。
工具系统：是刀具与机床的接口，并力求刀具的刀 柄与接杆实现标准化、系列化、通用化。
可能提高刀具的专用化程度，以取得最佳的效益。 在以数控机床、加工中心为主体构成的柔性自动化
加工系统中，为了提高加工的适应性，同时考虑到 加工设备的刀库容量有限，应尽量减少使用专用刀 具，而选用通用标准刀具、刀具标准组合件或模块 式刀具。
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一、刀具的自动装夹
自动化刀具的类型及选用
选用刀具的原则： 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； 2）应选用机夹可转位刀具的结构； 3）带沉孔、带后角刀片的刀具可优先作为自动化加 工刀具； 4）为了集中工序，提高生产率及保证加工精度，应 尽可能采用复合刀具。
优点二，只需将锥角加工 到高精度即可保证配合定 心精度高，成本较低，使 用可靠。
缺点，在高速旋转时定位 精度降低，运行不稳定。
实心长刀柄，重量大
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刀柄与机床主轴连接
为了克服BT刀柄仅靠单面定位导致的不利因素，宜采用双面
约束过定位——除了刀柄锥面定位，还增加端面定位。
高速切削刀柄
➢HSK刀柄（德国标准） ➢BIG-PLUS刀柄（日本标准）
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自动换刀装置的类型与特点：
1.主轴与刀库合为一体的自动换刀装置
———(多主轴转塔头式换刀装置)
若干根主轴（6~8）安装在一个 可以转动的转塔头上，每根主轴对应
转塔头即 为刀库
装有一把可以旋转的刀具。 根据加
工要求可以依次将装有所需刀具的主
轴转到加工位置，实现自动换刀， 接通主运动，主轴带动刀具旋转。 （更换主轴换刀）
图5—11 热缩夹头 17
刀柄与刀具连接
高速切削的刀柄和刀具的连接方式主要有高精度弹簧夹头、 热缩夹头、高精度液压膨胀夹头。
1拧活塞夹紧螺钉
3套筒内孔收缩夹紧刀具
2套筒腔内压力增加
液压夹头
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二、自动化换刀系统
自动换刀系统一般由刀库、自动换刀装置、刀 具传送装置、刀具识别装置等部分组成。
一、换刀装置（ATC）的类型和组成 1.主轴与刀库合为一体的自动换刀装置 2.主轴与刀库分离的自动换刀装置 二、刀库 1.刀库类型 2.刀具的选择方式 3.刀具运送装置 4.刀具的识别 三、自动化换刀机构 1．回转刀架 2.通过主轴换刀 3.利用机械手换刀
HSK刀柄采用了锥度1:10的空心短锥柄结构 ，在拉紧力的作用下，中空刀柄弹性变形， 实现锥面（径向）和法兰端面（轴向）双面 定位。
来自百度文库
BIG-PLUS刀柄是锥度为7:24的双面定位刀
柄。通过拉杆与拉钉，使主轴锥孔弹性
扩张，实现双面定位。
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刀柄与刀具连接
高速切削的刀柄和刀具的连接方式主要有高精度弹簧夹头、 热缩夹头、高精度液压膨胀夹头。
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自动化刀具的装夹机构
数控工具系统的结构形式：整体式、模块式
主要看刀柄 与工作部分 是否分开的
刀柄与各种工作部分组装成不同规 格的工具，以最少的工具库满足不 同零件加工要求。
不同品种和规格的工作部分都必须 加工出一个能与机床连接的柄部， 使得工具品种繁多、管理不便
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自动化刀具的装夹机构
工具系统的结构形式：整体式、模块式
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 刀机械手完成选刀动作，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。由于刀具排列密集，因此空间利用率 高，刀库容量大。
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刀具的选择方式：谁来选刀？如何选刀？ 换刀——把刀装入主轴 装刀——把刀装入刀库 主轴或换刀/装刀机械手完成 选刀——从刀库中将各工序所需要的刀具转换到 取刀的位置 由刀库/选刀机械手完成
作可靠。
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▪ 同一把刀具不能重复使用，
若需重复使用同一把刀具， 需在刀库中安装两把；
▪ 更换工件时，刀具顺序要 重新安排。
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刀具的选择方式：谁来选刀？如何选刀？ 任意选刀方式——刀具在刀库中不按加工顺序任意摆放，
选刀时，根据刀具（刀座）上的编码来进行识别并选择。 刀具用完后存入刀库中任意空位即可。 ▪ 在工件的一次装夹中，刀具可重复使用，刀具数量可
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自动化加工设备的刀具和机床的联接，必须要由与机床主 轴孔相适应的工具柄部、与工具柄部相联接的工具装夹部分和 各种刀具部分来实现。
刀柄与机床主轴连接 刀柄与刀具相连
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刀柄与机床主轴连接
优点一，不自锁，拆卸方便
➢BT刀柄（日本标准）：锥度7:24，仅依靠锥面（单面）定位，
通过拉钉和主轴内的拉刀装置固定在主轴上。
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。
各种链式刀库 a）单环链式 （b）多环链式 （c）折叠链式
▪ 链式刀库装刀容量大，一般在 1～100 把刀具，主要适
用于大中型加工中心；换刀时链条将要换的刀具传到指 定位置，由机械手将刀具装到主轴上，
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刀库： 刀库的种类：盘式、链式、格子式
式）或传感器（非接触式）
读出每把经过刀具的编码，
并与所需要的刀具编码比较，
当编码匹配时，控制系统使
刀库停转。
▪ 盲人探路，事先不知道 所需刀具在哪个位置
图5—15 刀具编码法
1—刀柄 2—接触式识别装置 3—触针（销） 4—数码环
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刀具的识别：
任意选刀方式的关键：对刀具（刀座）编码，并利用控制系统 进行识别
当需要某一刀具进行切削加工时，将该刀具自动从 刀库交换到主轴上，切削完毕后又将用过的刀具自 动地从主轴上取下放回刀库
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刀库： 刀库是自动换刀系统中最主要的装置之一
功能： 贮存各种加工工序所需的刀具； 按程序指令，快速、准确地将刀库中的空刀位和 待用刀具送到预定位置； 接受主轴换下的刀具和便于刀具交换装置进行换 刀。 刀库的容量、布局以及具体结构对数控机床的总 体布局和性能有很大影响。
刀具用完后，按优化原 则放入任一空位，并更新数 据表即可。
这种换刀方式最常用
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刀具运送装置： 当刀库容量较大、布置得离机床主轴较远时，需要两只
机械手和刀具运送装置完成新、旧刀具的交换动作。 装刀——前机械手（换刀机械手，靠近主轴）从主轴上
拔下刀具，刀具运送装置将刀具运回刀库旁，后机械手（装 刀机械手，靠近刀库）将刀装入刀库。
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刀库： 刀库的种类：盘式、链式、格子式
轴向
径向
斜向
刀具能翻转 90°，简化 取刀动作
▪ 盘式刀库装刀容量相对较小，
主要适用于小型加工中心；
▪ 盘式刀库结构简单、紧凑，在
钻削中心上应用较多； ▪ 有径向取刀式和 轴向取刀式。
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刀库：
刀库的种类：盘式、链式、格子式
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，链条由 链轮驱动。
采用具有一定锥度的锥套（弹簧 夹头）作为夹紧单元，利用拉杆 或螺母使套锥内径缩小而夹紧刀 具。
图5—10 弹簧夹头
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刀柄与刀具连接
高速切削的刀柄和刀具的连接方式主要有高精度弹簧夹头、 热缩夹头、高精度液压膨胀夹头。
利用夹头热胀冷缩的物理原理夹 紧刀具，结构简单，夹紧力大， 动平衡度和回转精度高。
利用主轴的移动功能，完成换刀，主轴与刀库之间不需要 其它的换刀机构。
虽简单易行，但换刀时间长，且占用机床工时。
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数控车床回转刀架换刀
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通过主轴换刀 35
通过主轴换刀（固定刀库） 36
自动化换刀机构： 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自动化换刀机构(刀具 交换装置)
比顺序选到方式的少一些； ▪ 通用性强，应用范围更大。
关键：对刀具（刀座）编码，并利用控制系统进行识别
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刀具的识别：
任意选刀方式的关键：对刀具（刀座）编码，并利用控制系统 进行识别
刀具编码法——采用特殊的刀柄结构（有编码环），
用这些编码换对刀具进行编码。
选刀时，刀库旋转，刀
具识别装置通过触针（接触
特点：切削刃多，效率高。
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一、刀具的自动装夹
自动化刀具的类型及选用
带沉孔、带后刀角刀片的刀具：
断屑可靠、切屑流出不受阻碍。
图5—3 带沉孔带后角刀片的钻头
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一、刀具的自动装夹
自动化刀具的类型及选用
复合刀具：多个工序的刀具（同类或不同类）组合到一把 刀上，可以同时加工（一次成型）或按先后顺序加工两个或两 个以上的表面，也可以完成一个表面的多道工步或多道工序加 工。 减少换刀次数，加工效率高
刀柄：刀具与机床的连接 接杆：刀柄与夹头的连接
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自动化刀具的装夹机构
工具系统的分类：
• 镗铣类数控机床用工具系统（简称”TSG”系统） • 车床类数控机床用工具系统（简称“BTS”系统） 它们都是由与机床主轴孔相适应的工具柄部（刀
柄）、与工具柄部 相联接的工具装夹部分（接杆） 和各种刀具部分组成（夹头）
刀具自动化
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刀具作为机械工艺装备的重要组成部分之一，刀具的自 动化程度将影响整个机械制造系统的先进性。
刀具自动化：是加工设备在切削过程中自动完成 选刀、换刀、对刀、走刀等工作过程。
第一节 刀具的自动装夹 第二节 自动化换刀系统 第三节 排屑自动化
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一、刀具的自动装夹
自动化刀具的类型及选用
类型：分为标准刀具和专用刀具两大类。