机械自动化

机械工程学院第四章刀具自动化刀具是金属切削加工中不可缺少的工具之一，无论是普通机床，还是先进的数控机床、加工中心机床以及柔性制造系统，都必须通过刀具才能完成切削加工。所谓刀具自动化，就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。机械工程学院第一节刀具的自动装夹一、自动化刀具结构1.自动化刀具的特点自动化刀具与普通机床用刀没有太大的区别，但为了保证加工设备的自动化运行，自动化刀具需具有以下特点：1)刀具的切削性能必须稳定可靠，应具有高的耐用度和可靠性；2)刀具应能可靠地断屑或卷屑；3）刀具应具有较高的精度；4）刀具结构应保证其能快速或自动更换和调整；5）刀具应配有其工作状态的在线检测与报警装置；6）应尽可能地采用标准化、系列化和通用化的刀具，以便于刀具的自动化管理。机械工程学院2.自动化刀具的类型及选用自动化用刀具通常分为标准刀具和专用刀具两大类。在以自动生产线为代表的刚性自动化生产中，应尽可能提高刀具的专用化程度，以取得最佳的总体效益。而在以数控机床、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。机械工程学院自动化常用的刀具种类有：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、工件材料与尺寸、断屑情况及刀具和刀片的生产供应等许多因素有关。此外，刀具的结构型式有时对工艺方案的拟定也起着决定性影响，因此必须慎重对待，综合考虑。一般选用原则如下：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）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。4）应尽量采用各种高效刀具。机械工程学院二、自动化刀具装夹机构为了充分发挥自动化加工设备应有的效率，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，以实现快速自动换刀。在目前自动化加工生产中，比较完善的的工具系统主要有镗铣类数控机床用工具系统（简称”TSG”系统）和车床类数控机床用工具系统（简称“BTS”系统）两大类，现在也出现了可同时适应数控车削和数控镗铣加工的工具系统。它们主要由刀具的柄部（刀柄）、接杆（接柄）和夹头等部分组成。工具系统中规定了刀具与装夹工具的结构、尺寸系列及其连接形式。更完善的工具系统还包括自动换刀装置、刀库、刀具识别装置和刀具自动检测装置等。机械工程学院1.数控车削加工的刀具装夹结构车削加工的工具系统一般由机床刀架、快换刀夹及其基座和预调刀头等组成，如图4-3所示。2．数控镗铣加工工具系统数控镗铣加工工具系统有整体和模块两种不同的结构型式。整体式结构是每把工具的柄部与夹持工具的工作部分连成一体，因此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，致使工具的规格、品种繁多，给生产、使用和管理都带来不便。模块式工具系统是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，然后经过不同规格的中间模块，可组装成一套套不同规格的工具。这样既便于制造、使用与保管，又能以最少工具库存来满足不同零件的加工要求，因而它代表了工具系统发展的总趋势。机械工程学院第二节自动化换刀系统为了缩短非切削加工时间，进一步提高加工效率，20世纪60年代末出现了储有各种类型刀具的刀库、并具有自动换刀功能，使工件一次装夹就能自动顺序完成各种不同工序加工的数控机床，即加工中心机床。能够自动地更换加工中所用刀具的装置称为自动换刀装置（AutomaticToolChanger,简称ATC）。目前，自动换刀装置已广泛地使用于加工中心及其它一些数控机床。机械工程学院一、换刀装置的类型和组成：常用的自动换刀装置有如下几种形式：1.主轴与刀库合为一体的自动换刀装置这种自动换刀装置的刀库与主轴合为一体，机床结构较为简单，且由于省去了刀具在刀库与主轴间的交换等一系列复杂的操作过程，从而缩短了换刀时间，并提高了换刀的可靠性。2.主轴与刀库分离的自动换刀装置这种换刀装置配备有独立的刀库，因此又称为带刀库的自动换刀装置。它由刀库、刀具交换装置以及主轴等组成。机械工程学院二、刀库自动换刀系统一般由刀库、自动换刀装置、刀具传送装置、识刀装置等几个部分组成。刀库是自动换刀系统中最主要的装置之一，其功能是贮存各种加工工序所需的刀具，并按程序指令，快速、准确地将刀库中的空刀位和待用刀具送到预定位置，以便接受主轴换下的刀具和便于刀具交换装置进行换刀，它的容量、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。1.刀库类型常用刀库有盘式刀库、链式刀库和格子式刀库，如图4-8所示。机械工程学院2.刀具的选择方式根据数控系统的选择指令，从刀库中将各工序所需的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。自动选刀方式有两种：（1）顺序选刀方式将所需刀具严格按工序先后依次插放在刀库中，使用时按加工顺序指令一一取用。（2）任意选择方式这种方式根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具，刀具在刀库中可以不按加工顺序而任意存放，利用控制系统来识别、记忆所有的刀具和刀座。机械工程学院3.刀具运送装置当刀库容量较大，布置得离机床主轴较远时，就需要安排两只机械手和刀具运送装置来完成新旧刀具的交换工作。一只机械手靠近刀库，称后机械手，完成拔刀和插刀的动作；另一只机械手靠近主轴，称前机械手，也完成拔刀和插刀的动作。4.刀具的识别刀具的识别是指自动换刀装置对刀具的识别，通常可采用刀具编码法和软件记忆法。机械工程学院三、自动化换刀机构1．回转刀架回转刀架常用于数控车床，是用转塔头各刀座来安装或夹持各种不同用途的刀具，通过转塔头的旋转分度来实现机床的自动换刀动作。它的形式一般有立轴式和卧轴式。一般说来，回转刀架定位可靠、重复定位精度高、分度准确、转位速度快、夹紧刚性好，能保证数控车床的高精度和高效率。机械工程学院2.通过主轴换刀在如今的小型FMS中，通常利用机床主轴作为过渡装置，将容纳少量刀具（5-10把）的装载刀架设计得便于主轴的抓取，先由刀具运载工具将该装载刀架送到机床工作台上，然后利用主轴和工作台的相对移动，将刀具装入机床主轴，再通过机床自身的自动换刀装置，将刀具一个个地装入机床刀库。这种方法简单易行，但换刀时间较长，且要占用机床工时。机械工程学院3.利用机械手换刀换刀机械手因具有灵活性大、换刀时间短的特点，所以应用最为广泛。换刀机械手按刀具夹持器的数量，又可分为单臂式机械手和双臂式机械手。这些机械手能够完成抓刀、拔刀、回转、换刀以及返回等全部动作过程。机械工程学院第三节排屑自动化一、切屑形成原理切屑是在金属切削过程中切削层受到刀具前刀面的挤压后，产生以剪切滑移为主的塑性变形而形成的。以直角自由切削形成连续型切屑为例，如图4-12所示。在切削过程中，刀具对切削层作用着正压力Fn和摩擦力Ff，它们的合力为Fr。切削层内的质点P受合力Fr作用后向刀具逼近（即刀具向前切削）至“1”位置时，剪应力达到材料屈服强度，在该位置上产生了塑性变形，点由“1”移动到“1’”处的同时，还在最大剪应力方向的剪切面上滑移至“2”处，之后同理继续滑移至“3”“4”处，离开“4”处后成为切屑上一个质点沿前刀面滑出。在切削层上其余各点，移动至OC线均开始滑移，离开OE线终止滑移，这样源源不断，就形成了切屑。机械工程学院二、排屑装置类型通畅的排屑是自动化加工设备工作可靠的必要条件。要实现排屑自动化，就必须要认真考虑切屑从加工空间及夹具底座的排除，对自动线还要考虑把各台机床的切屑集中排除的问题。从加工部位排除切屑的方法取决于切屑的形状、工件的安装方法、工件的材质、加工工艺方法、机床类型及其附属装置的布局等因素，可采用依靠重力或刀具回转离心力将切屑甩出、用压缩空气吹屑、用真空吸屑等方法。在夹具结构上采取一定的措施可将切屑从夹具底座中排出。机械工程学院自动线的集中排屑装置一般设置在机床底座下的地沟中。常用的自动排屑装置有以下几种类型：带式排屑装置、刮板式排屑装置、螺旋排屑装置等。此外，在某些小型工件的加工自动线中，每一个随行夹具上都附有一个盛屑器，从工件上切下的切屑都落在盛屑器中，随着随行夹具一起运行，到达自动线的一定工位时，用翻转装置将随行夹具和盛屑器一起翻转180º，把切屑倒在线外的固定地点。采用这种方式，自动线上不再需要设置专门的排屑装置，因而结构简单。但这时切屑量不宜过大，而且不宜在铁屑飞溅（如铣削）的情况下采用。机械工程学院三、切屑及切削液处理装置长期以来，切削液在切削加工中起着不可缺少的作用，但它也对环境造成了一定的污染。为了减少它的不良影响，一方面可采用干切削或准干切削等先进加工方法来减少切削液的使用量，另一方面要加强对它的净化处理，以便进行回收利用，减少切削液的排放量。切削液的净化处理就是将它在工作中带入的碎屑、砂轮粉末等杂质及时清除。常用的方法有过滤法和分离法。过滤法是使用多孔材料制成过滤器，以除去在工作中切削液产生的杂质。分离法是应用重力沉淀、惯性分离、磁性分离、涡旋分离等装置，除去污液中的杂质。