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高速加工中心的快速自動換刀技術(shù)

高速加工中心是高速機(jī)床的典型產(chǎn)品，高速功能部件如電主軸、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)床的高效率，作為加工中心的重要部件之一的自動換刀裝置（ATC）的高速化也相應(yīng)成為高速加工中心的重要技術(shù)內(nèi)容。

隨著切削速度的提高，切削時(shí)間的不斷縮短，對換刀時(shí)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(xiàng)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)床先進(jìn)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)方法和國外先進(jìn)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)展有些幫助。

1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(shí)間為主要目的，綜合考慮機(jī)床的各方面因素，在盡可能短的時(shí)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(diǎn)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(shí)間：②切削到切削換刀時(shí)間：③切屑到切屑換刀時(shí)間。由于切屑到切屑換刀時(shí)間基本上就是加工中心兩次切削之間的時(shí)間，反映了加工中心換刀所占用的輔助時(shí)間，因此切屑到切屑換刀時(shí)間應(yīng)是衡量加工中心效率高低的最直接指標(biāo)。而刀到刀換刀時(shí)間則主要反映自動換刀裝置本身性能的好壞，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(jià)換刀速度。至于換刀時(shí)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)，在技術(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出發(fā)點(diǎn)是在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(shí)間。在高速加工中心上，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(shí)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(jì)的主流。因此，設(shè)計(jì)換刀裝置時(shí)，要充分考慮到高速機(jī)床的新結(jié)構(gòu)特征。

在設(shè)置高速加工中心上的換刀裝置時(shí)，時(shí)間并不是唯一的考慮因素。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是加工中心功能部件中故障率相對比較高的部分，這一點(diǎn)尤其重要：其次，要根據(jù)應(yīng)用對象和性能價(jià)格比選配ATC。在換刀時(shí)間對生產(chǎn)過程影響大的應(yīng)用場合，要盡可能提高換刀速度。例如，在汽車等生產(chǎn)線上，換刀時(shí)間和換刀次數(shù)要計(jì)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。

(源自：中國金屬加工在線)
（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(gè)方面：

在傳統(tǒng)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(shí)間只有0.6s。

根據(jù)高速機(jī)床新的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)刀庫和換刀裝置的形式和位置。例如，傳統(tǒng)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(diǎn)，讓主軸直接參與換刀過程，不僅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?？焖僮詣訐Q刀裝置采用HSK空心短錐柄刀是發(fā)展的趨勢。

2快速換刀的一些結(jié)構(gòu)方法

除了在傳統(tǒng)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)床沒有傳統(tǒng)的刀庫和換刀裝置，而是采用多個(gè)主軸并排固定在主軸架上，一般為3～18個(gè)。每個(gè)主軸由各自的電動機(jī)直接驅(qū)動，并且每個(gè)主軸上安裝了不同的刀具。換刀時(shí)不是主軸上的刀具交換，而是安裝在夾具上的工件快速從一個(gè)主軸的加工位置移動到另一個(gè)裝有不同刀具的主軸，實(shí)現(xiàn)換刀并立即加工。這個(gè)移動時(shí)間就是換刀時(shí)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(shí)現(xiàn)了切屑到切屑換刀時(shí)間僅為0.4s。是目前世界上切屑到切屑換刀時(shí)間最短的機(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。不僅可以用于需要快速換刀的加工，而且可以多軸同時(shí)加工，適合在高效率生產(chǎn)線上使用。

（2）雙主軸換刀

加工中心有兩個(gè)工作主軸，但不是同時(shí)用于切削加工。一個(gè)主軸用于加工，另一個(gè)主軸在此期間更換刀具。但需要換刀時(shí)，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(gè)過程可以同時(shí)進(jìn)行，換刀時(shí)間實(shí)際就是已經(jīng)裝好刀具的兩個(gè)主軸的換位時(shí)間，使輔助時(shí)間減到最少，即機(jī)床切屑到切屑換刀時(shí)間達(dá)到最短。由于有兩個(gè)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-Kessler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-500、HSC-630、HFC-630加工中心有兩個(gè)主軸和兩套換刀系統(tǒng)。兩個(gè)主軸可以用1.0～1.5s的時(shí)間移動到加工位置并啟動加速到加工的最大速度。具體的交換時(shí)間取決于機(jī)床的尺寸。

(源自：中國金屬加工在線)
（3）刀庫布置在主軸周圍的轉(zhuǎn)塔方式

這種方式，刀庫本身就相當(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(shí)間較短。這種方式如果要實(shí)現(xiàn)任意換刀，則就隨所選刀在刀庫的位置不同而存在時(shí)間長短不等，最遠(yuǎn)的刀可能切屑到切屑換刀時(shí)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(gè)機(jī)械手的方式使換刀幾乎沒有時(shí)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(shí)現(xiàn)了切屑到切屑換刀時(shí)間僅為1.5s，是目前世界上單主軸機(jī)床切屑到切屑換刀時(shí)間最短的加工中心。

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)先進(jìn)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(gè)很重要的特點(diǎn)是換刀技術(shù)的多樣化，其目的都是努力縮短刀具交換時(shí)間。下表所列是切屑到切屑換刀時(shí)間小于4s的高速加工中心。

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)的重要組成部分。新技術(shù)和新方法在不斷地出現(xiàn)和改進(jìn)，其目的只有一個(gè)，即在準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上，縮短換刀時(shí)間，全面提高高速加工中心的切削效率。我國的高速機(jī)床制造業(yè)應(yīng)該及時(shí)學(xué)習(xí)和盡快掌握先進(jìn)的技術(shù)方法，不斷提高國產(chǎn)高速加工中心的制造水平。

(源自：中國金屬加工在線)