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技術(shù)文章
銘泰雕銑機(jī)提供：高速數(shù)控雕銑機(jī)換刀技術(shù)詳解
閱讀：1740 發(fā)布時間：2013-4-15
高速數(shù)控雕銑機(jī)功能部件如電主軸、高速絲杠和直線電動機(jī)的發(fā)展應(yīng)用極大地提高了切削效率。為了配合機(jī)床的率，作為加工中心的重要部件之一的自動換刀裝置ATC高速化也相應(yīng)成為高速加工中心的重要技術(shù)內(nèi)容。高速加工中心是高速機(jī)床的典型產(chǎn)品。
隨著切削速度的提高，切削時間的不時縮短，對換刀時間的要求也在逐步提高，換刀的速度已成為高水平加工中心的一項重要指標(biāo)。
由于加工中心的自動換刀要求可靠準(zhǔn)確，而且結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，提高換刀速度技術(shù)難度大。目前國外機(jī)床*企業(yè)生產(chǎn)的高速加工中心為了適應(yīng)高速加工，大都配備了快速自動換刀裝置，很多采用了新技術(shù)、新方法。本文將介紹一些提高換刀速度的技術(shù)方法和*高速加工中心的快速自動換刀技術(shù)，希望對我國高速加工中心的發(fā)展有些協(xié)助。
一、快速自動換刀技術(shù)
快速自動換刀技術(shù)是以減少輔助加工時間為主要目的綜合考慮機(jī)床的各方面因素，盡可能短的時間內(nèi)完成刀具交換的技術(shù)方法。該技術(shù)包括刀庫的設(shè)置、換刀方式、換刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)和適應(yīng)高速機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點等。
1、換刀速度指標(biāo)
衡量換刀速度的方法主要有三種：①刀到刀換刀時間：②切削到切削換刀時間：③切屑到切屑換刀時間。由于切屑到切屑換刀時間基本上就是加工中心兩次切削之間的時間，反映了加工中心換刀所占用的輔助時間，因此切屑到切屑換刀時間應(yīng)是衡量加工中心效率高低的zui直接指標(biāo)。而刀到刀換刀時間則主要反映自動換刀裝置自身性能的好壞，更適合作為機(jī)床自動換刀裝置的性能指標(biāo)。這兩種方法通常用來評價換刀速度。至于換刀時間多少才是高速機(jī)床的快速自動換刀裝置并沒有確定的指標(biāo)，技術(shù)條件可能的情況下，應(yīng)盡可能提高換刀速度。
2、提高換刀速度的基本原則
加工中心自動刀具交換的基本動身點是多種刀具參與的加工過程中，通過自動換刀，減少輔助加工時間。高速加工中心上，由于切削速度的大幅度提高，自動換刀裝置和刀庫的配置要考慮盡可能縮短換刀時間，從而和高速切削的機(jī)床相配合。
加工中心的換刀裝置通常由刀庫和刀具交換機(jī)構(gòu)組成，常用的有機(jī)械手式和無機(jī)械手式等方式。刀庫的形式和擺放位置也不一樣。為了適合高速運(yùn)動的需要，高速加工中心在結(jié)構(gòu)上已和傳統(tǒng)的加工中心不同，以刀具運(yùn)動進(jìn)給為主，減小運(yùn)動件的質(zhì)量已成為高速加工中心設(shè)計的主流。因此，設(shè)計換刀裝置時，要充分考慮到高速機(jī)床的新結(jié)構(gòu)特征。
設(shè)置高速加工中心上的換刀裝置時，時間并不是*的考慮因素。首先，應(yīng)在換刀動作準(zhǔn)確、可靠的基礎(chǔ)上提高換刀速度。特別是ATC加工中心功能部件中故障率相對比較高的局部，這一點尤其重要：其次，要根據(jù)應(yīng)用對象和性能價格比選配ATC換刀時間對生產(chǎn)過程影響大的應(yīng)用場所，要盡可能提高換刀速度。例如，汽車等生產(chǎn)線上，換刀時間和換刀次數(shù)要計入零件生產(chǎn)節(jié)拍。而在另外一些地方，如模具型腔加工，換刀速度的選擇就可以放寬一些。
3、提高換刀速度的主要技術(shù)方法
適合于高速加工中心的快速自動換刀技術(shù)主要有以下幾個方面：
保守的自動換刀裝置的基礎(chǔ)上提高動作速度，或采用動作速度更快的機(jī)構(gòu)和驅(qū)動元件。例如，機(jī)械凸輪結(jié)構(gòu)的換刀速度要大大高于液壓和氣動結(jié)構(gòu)。日本SODIC公司生產(chǎn)的MC450立式加工中心的機(jī)械凸輪結(jié)構(gòu)的快速換刀裝置，刀到刀換刀時間只有0.6
根據(jù)高速機(jī)床新的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計刀庫和換刀裝置的形式和位置。例如，保守的立式加工中心的刀庫和換刀裝置多裝在立柱一側(cè)：而高速加工中心則多為立柱移動的進(jìn)給方式，為減輕運(yùn)動件質(zhì)量，刀庫和換刀裝置不宜再裝在立柱上。
采用新方法進(jìn)行刀具快速交換。不用刀庫和機(jī)械手方式，而改用其它方式換刀。例如不用換刀，用換主軸的方法。
利用新開發(fā)的加工中心的主軸部件可作6自由度高速運(yùn)動這一特點，讓主軸直接參與換刀過程，不只可使刀庫配置位置靈活，而且可減少刀庫運(yùn)動的自由度，顯著簡化刀庫和換刀裝置的結(jié)構(gòu)。
適合于高速加工中心的刀柄。HSK刀柄質(zhì)量輕，拔插刀行程短，可以使自動換刀裝置的速度提高。快速自動換刀裝置采用HSK空心短錐柄刀是發(fā)展的趨勢。
二、快速換刀的一些結(jié)構(gòu)方法
除了激進(jìn)換刀裝置的基礎(chǔ)上提高動作速度外，還出現(xiàn)了一些新方法和新結(jié)構(gòu)換刀裝置。
下面介紹其中一些，以供參考。
1、多主軸換刀
這種機(jī)床沒有保守的刀庫和換刀裝置，而是采用多個主軸并排固定在主軸架上，一般為318個。每個主軸由各自的電動機(jī)直接驅(qū)動，并且每個主軸上安裝了不同的刀具。換刀時不是主軸上的刀具交換，而是裝置在夾具上的工件快速從一個主軸的加工位置移動到另一個裝有不同刀具的主軸，實現(xiàn)換刀并立即加工。這個移動時間就是換刀時間，而且非常短。由夾具快速移動完成換刀，省去了復(fù)雜的換刀機(jī)構(gòu)。奧地利ANGERG公司生產(chǎn)的這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床，實現(xiàn)了切屑到切屑換刀時間僅為0.4目前世界上切屑到切屑換刀時間zui短的機(jī)床。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床和通常的加工中心結(jié)構(gòu)已大不相同。不只可以用于需要快速換刀的加工，而且可以多軸同時加工，適合在率生產(chǎn)線上使用。
2、雙主軸換刀
加工中心有兩個工作主軸，但不是同時用于切削加工。一個主軸用于加工，另一個主軸在此期間更換刀具。但需要換刀時，加工的主軸迅速退出，換好刀具的主軸立即進(jìn)入加工。由于兩個過程可以同時進(jìn)行，換刀時間實際就是已經(jīng)裝好刀具的兩個主軸的換位時間，使輔助時間減到zui少，即機(jī)床切屑到切屑換刀時間達(dá)到zui短。由于有兩個主軸，這種機(jī)床的刀庫和換刀機(jī)械手可以是一套，也可以是兩套。如德國Alfing-Kessl公司生產(chǎn)的加工中心采用雙主軸系統(tǒng)，使用一套刀庫和換刀機(jī)械手。而德國Hornsberg-Lamb公司生產(chǎn)的HSC-500HSC-630HFC-630加工中心有兩個主軸和兩套換刀系統(tǒng)。兩個主軸可以用1.01.5時間移動到加工位置并啟動加速到加工的zui大速度。具體的交換時間取決于機(jī)床的尺寸。
3、刀庫布置在主軸周圍的轉(zhuǎn)塔方式
這種方式，刀庫自身就相當(dāng)于機(jī)械手，即通過刀庫拔插刀并采用順序換刀，使機(jī)床切屑到切屑換刀時間較短。這種方式如果要實現(xiàn)任意換刀，則就隨所選刀在刀庫的位置不同而存在時間長短不等，zui遠(yuǎn)的刀可能切屑到切屑換刀時間較長。因此，這種方式作為高速自動換刀裝置只能采用順序選刀的方式。
4、多機(jī)械手方式
同樣，刀庫布置在主軸的周圍，但采用每把刀有一個機(jī)械手的方式使換刀幾乎沒有時間的損失，并可以采用任意選刀的方式。德國CHIRON公司生產(chǎn)的這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床，實現(xiàn)了切屑到切屑換刀時間僅為1.5目前世界上單主軸機(jī)床切屑到切屑換刀時間zui短的加工中心。
3、配備快速自動換刀裝置的加工中心
國內(nèi)外一些技術(shù)*的機(jī)床制造公司開發(fā)出了多種采用不同技術(shù)的具有快速換刀裝置的高速加工中心，一個很重要的特點是換刀技術(shù)的多樣化，其目的都是努力縮短刀具交換時間。下表所列是切屑到切屑換刀時間小于4s高速加工中心。
4、結(jié)束語
金屬切削機(jī)床的高速化已成為機(jī)床發(fā)展的重要方向之一，因此，快速換刀技術(shù)已經(jīng)成為高速加工中心技術(shù)的重要組成局部。新技術(shù)和新方法在不時地出現(xiàn)和改進(jìn)，其目的只有一個，即在準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上，縮短換刀時間，全面提高高速加工中心的切削效率。國的高速機(jī)床制造業(yè)應(yīng)該及時學(xué)習(xí)和盡快掌握*的技術(shù)方法，不時提高國產(chǎn)高速加工中心的制造水平。
隨著切削速度的提高，切削時間的不時縮短，對換刀時間的要求也在逐步提高，換刀的速度已成為高水平加工中心的一項重要指標(biāo)。
由于加工中心的自動換刀要求可靠準(zhǔn)確，而且結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，提高換刀速度技術(shù)難度大。目前國外機(jī)床*企業(yè)生產(chǎn)的高速加工中心為了適應(yīng)高速加工，大都配備了快速自動換刀裝置，很多采用了新技術(shù)、新方法。本文將介紹一些提高換刀速度的技術(shù)方法和*高速加工中心的快速自動換刀技術(shù)，希望對我國高速加工中心的發(fā)展有些協(xié)助。
一、快速自動換刀技術(shù)
快速自動換刀技術(shù)是以減少輔助加工時間為主要目的綜合考慮機(jī)床的各方面因素，盡可能短的時間內(nèi)完成刀具交換的技術(shù)方法。該技術(shù)包括刀庫的設(shè)置、換刀方式、換刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)和適應(yīng)高速機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點等。
1、換刀速度指標(biāo)
衡量換刀速度的方法主要有三種：①刀到刀換刀時間：②切削到切削換刀時間：③切屑到切屑換刀時間。由于切屑到切屑換刀時間基本上就是加工中心兩次切削之間的時間，反映了加工中心換刀所占用的輔助時間，因此切屑到切屑換刀時間應(yīng)是衡量加工中心效率高低的zui直接指標(biāo)。而刀到刀換刀時間則主要反映自動換刀裝置自身性能的好壞，更適合作為機(jī)床自動換刀裝置的性能指標(biāo)。這兩種方法通常用來評價換刀速度。至于換刀時間多少才是高速機(jī)床的快速自動換刀裝置并沒有確定的指標(biāo)，技術(shù)條件可能的情況下，應(yīng)盡可能提高換刀速度。
2、提高換刀速度的基本原則
加工中心自動刀具交換的基本動身點是多種刀具參與的加工過程中，通過自動換刀，減少輔助加工時間。高速加工中心上，由于切削速度的大幅度提高，自動換刀裝置和刀庫的配置要考慮盡可能縮短換刀時間，從而和高速切削的機(jī)床相配合。
加工中心的換刀裝置通常由刀庫和刀具交換機(jī)構(gòu)組成，常用的有機(jī)械手式和無機(jī)械手式等方式。刀庫的形式和擺放位置也不一樣。為了適合高速運(yùn)動的需要，高速加工中心在結(jié)構(gòu)上已和傳統(tǒng)的加工中心不同，以刀具運(yùn)動進(jìn)給為主，減小運(yùn)動件的質(zhì)量已成為高速加工中心設(shè)計的主流。因此，設(shè)計換刀裝置時，要充分考慮到高速機(jī)床的新結(jié)構(gòu)特征。
設(shè)置高速加工中心上的換刀裝置時，時間并不是*的考慮因素。首先，應(yīng)在換刀動作準(zhǔn)確、可靠的基礎(chǔ)上提高換刀速度。特別是ATC加工中心功能部件中故障率相對比較高的局部，這一點尤其重要：其次，要根據(jù)應(yīng)用對象和性能價格比選配ATC換刀時間對生產(chǎn)過程影響大的應(yīng)用場所，要盡可能提高換刀速度。例如，汽車等生產(chǎn)線上，換刀時間和換刀次數(shù)要計入零件生產(chǎn)節(jié)拍。而在另外一些地方，如模具型腔加工，換刀速度的選擇就可以放寬一些。
3、提高換刀速度的主要技術(shù)方法
適合于高速加工中心的快速自動換刀技術(shù)主要有以下幾個方面：
保守的自動換刀裝置的基礎(chǔ)上提高動作速度，或采用動作速度更快的機(jī)構(gòu)和驅(qū)動元件。例如，機(jī)械凸輪結(jié)構(gòu)的換刀速度要大大高于液壓和氣動結(jié)構(gòu)。日本SODIC公司生產(chǎn)的MC450立式加工中心的機(jī)械凸輪結(jié)構(gòu)的快速換刀裝置，刀到刀換刀時間只有0.6
根據(jù)高速機(jī)床新的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計刀庫和換刀裝置的形式和位置。例如，保守的立式加工中心的刀庫和換刀裝置多裝在立柱一側(cè)：而高速加工中心則多為立柱移動的進(jìn)給方式，為減輕運(yùn)動件質(zhì)量，刀庫和換刀裝置不宜再裝在立柱上。
采用新方法進(jìn)行刀具快速交換。不用刀庫和機(jī)械手方式，而改用其它方式換刀。例如不用換刀，用換主軸的方法。
利用新開發(fā)的加工中心的主軸部件可作6自由度高速運(yùn)動這一特點，讓主軸直接參與換刀過程，不只可使刀庫配置位置靈活，而且可減少刀庫運(yùn)動的自由度，顯著簡化刀庫和換刀裝置的結(jié)構(gòu)。
適合于高速加工中心的刀柄。HSK刀柄質(zhì)量輕，拔插刀行程短，可以使自動換刀裝置的速度提高。快速自動換刀裝置采用HSK空心短錐柄刀是發(fā)展的趨勢。
二、快速換刀的一些結(jié)構(gòu)方法
除了激進(jìn)換刀裝置的基礎(chǔ)上提高動作速度外，還出現(xiàn)了一些新方法和新結(jié)構(gòu)換刀裝置。
下面介紹其中一些，以供參考。
1、多主軸換刀
這種機(jī)床沒有保守的刀庫和換刀裝置，而是采用多個主軸并排固定在主軸架上，一般為318個。每個主軸由各自的電動機(jī)直接驅(qū)動，并且每個主軸上安裝了不同的刀具。換刀時不是主軸上的刀具交換，而是裝置在夾具上的工件快速從一個主軸的加工位置移動到另一個裝有不同刀具的主軸，實現(xiàn)換刀并立即加工。這個移動時間就是換刀時間，而且非常短。由夾具快速移動完成換刀，省去了復(fù)雜的換刀機(jī)構(gòu)。奧地利ANGERG公司生產(chǎn)的這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床，實現(xiàn)了切屑到切屑換刀時間僅為0.4目前世界上切屑到切屑換刀時間zui短的機(jī)床。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床和通常的加工中心結(jié)構(gòu)已大不相同。不只可以用于需要快速換刀的加工，而且可以多軸同時加工，適合在率生產(chǎn)線上使用。
2、雙主軸換刀
加工中心有兩個工作主軸，但不是同時用于切削加工。一個主軸用于加工，另一個主軸在此期間更換刀具。但需要換刀時，加工的主軸迅速退出，換好刀具的主軸立即進(jìn)入加工。由于兩個過程可以同時進(jìn)行，換刀時間實際就是已經(jīng)裝好刀具的兩個主軸的換位時間，使輔助時間減到zui少，即機(jī)床切屑到切屑換刀時間達(dá)到zui短。由于有兩個主軸，這種機(jī)床的刀庫和換刀機(jī)械手可以是一套，也可以是兩套。如德國Alfing-Kessl公司生產(chǎn)的加工中心采用雙主軸系統(tǒng)，使用一套刀庫和換刀機(jī)械手。而德國Hornsberg-Lamb公司生產(chǎn)的HSC-500HSC-630HFC-630加工中心有兩個主軸和兩套換刀系統(tǒng)。兩個主軸可以用1.01.5時間移動到加工位置并啟動加速到加工的zui大速度。具體的交換時間取決于機(jī)床的尺寸。
3、刀庫布置在主軸周圍的轉(zhuǎn)塔方式
這種方式，刀庫自身就相當(dāng)于機(jī)械手，即通過刀庫拔插刀并采用順序換刀，使機(jī)床切屑到切屑換刀時間較短。這種方式如果要實現(xiàn)任意換刀，則就隨所選刀在刀庫的位置不同而存在時間長短不等，zui遠(yuǎn)的刀可能切屑到切屑換刀時間較長。因此，這種方式作為高速自動換刀裝置只能采用順序選刀的方式。
4、多機(jī)械手方式
同樣，刀庫布置在主軸的周圍，但采用每把刀有一個機(jī)械手的方式使換刀幾乎沒有時間的損失，并可以采用任意選刀的方式。德國CHIRON公司生產(chǎn)的這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床，實現(xiàn)了切屑到切屑換刀時間僅為1.5目前世界上單主軸機(jī)床切屑到切屑換刀時間zui短的加工中心。
3、配備快速自動換刀裝置的加工中心
國內(nèi)外一些技術(shù)*的機(jī)床制造公司開發(fā)出了多種采用不同技術(shù)的具有快速換刀裝置的高速加工中心，一個很重要的特點是換刀技術(shù)的多樣化，其目的都是努力縮短刀具交換時間。下表所列是切屑到切屑換刀時間小于4s高速加工中心。
4、結(jié)束語
金屬切削機(jī)床的高速化已成為機(jī)床發(fā)展的重要方向之一，因此，快速換刀技術(shù)已經(jīng)成為高速加工中心技術(shù)的重要組成局部。新技術(shù)和新方法在不時地出現(xiàn)和改進(jìn)，其目的只有一個，即在準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上，縮短換刀時間，全面提高高速加工中心的切削效率。國的高速機(jī)床制造業(yè)應(yīng)該及時學(xué)習(xí)和盡快掌握*的技術(shù)方法，不時提高國產(chǎn)高速加工中心的制造水平。