數(shù)控轉塔刀架分類與結構分析

1、數(shù)控轉塔刀架分類與結構分析數(shù)控轉塔刀架分類與結構分析1.1.緒論緒論34最早是在40年代初，由美國北密支安的一個小型飛機工業(yè)承包商派爾遜斯公司（Parsons Corporation）實現(xiàn)數(shù)字技術進行機械加工的。1952年，麻省理工學院在一臺立式銑床上，裝上了一套試驗性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)了同時控制三軸的運動。這臺數(shù)控機床被大家稱為世界上第一臺數(shù)控機床。 1954年11月，在派爾遜斯專利的基礎上，第一臺工業(yè)用的數(shù)控機床由美國本迪克斯公司（Bendix Cooperation）正式生產出來。 1959年3月，由美國卡耐;特雷克公司（Keaney & Trecker Corp.）開發(fā)出

2、第一臺具有自動換刀裝置的數(shù)控機床。1980年代，在電動刀架和液壓刀架的本體基礎上外加動力刀具驅動模塊的形式，構成了動力刀架。1.11.1刀架的發(fā)展刀架的發(fā)展刀架，作為機床的重要組成部分，刀架的發(fā)展是伴隨著機床的發(fā)展的。1.21.2我國數(shù)控刀架發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展要求我國數(shù)控刀架發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展要求v 發(fā)展現(xiàn)狀: 起步階段，品種單一，不可靠。 與世界先進制造行業(yè)相比，存在很大的差距。 國內配套廠家較少 。v未來發(fā)展要求：刀架轉位時間最短，且轉位準確。 刀架定位精度高、動作迅速、穩(wěn)定可靠。 可多刀夾持，雙向轉位和任意刀位就近選刀； 應用范圍廣，維修方便等特點 。2.2.數(shù)控刀架種類數(shù)控刀架種類v

3、數(shù)控轉塔刀架是數(shù)控車床上的核心功能部件之一，其分類如圖2.1所示：數(shù)控刀架非動力刀架動力刀架電動刀架液壓刀架伺服刀架雙動力刀架單動力刀架復合型刀架直驅刀架徑向雙動力軸向雙動力徑向單動力軸向單動力皇冠型單動力Y軸單動力刀架B軸單動力刀架Y軸軸向單動力Y軸徑向單動力Y軸皇冠型刀架圖2.1 數(shù)控刀架分類2.12.1非動力刀架非動力刀架非動力刀架一般根據(jù)驅動方式分為：非動力刀架一般根據(jù)驅動方式分為：l普通電機驅動的電動刀架普通電機驅動的電動刀架; ;l液壓馬達驅動的液壓刀架液壓馬達驅動的液壓刀架; ;l伺服電機驅動的伺服刀架伺服電機驅動的伺服刀架; ;l力矩電機直接驅動的直驅刀架。力矩電機直接驅動的直

4、驅刀架。v電動刀架是數(shù)控機床進行換刀的實現(xiàn)機構，實現(xiàn)刀架上刀盤的轉動電動刀架是數(shù)控機床進行換刀的實現(xiàn)機構，實現(xiàn)刀架上刀盤的轉動和刀盤的初定位、定位與夾緊的運動，以實現(xiàn)刀具的自動轉換，具有和刀盤的初定位、定位與夾緊的運動，以實現(xiàn)刀具的自動轉換，具有傳動機械結構、電氣正反轉控制、傳動機械結構、電氣正反轉控制、PLCPLC編程控制等功能。常見的電動編程控制等功能。常見的電動刀架中具有典型的結構有刀架中具有典型的結構有TND360 TND360 刀架和刀架和LDB4LDB4刀架，這兩種刀架采用刀架，這兩種刀架采用了不同的傳動升降結構，不同定位控制；但都實現(xiàn)了刀盤的正向換刀了不同的傳動升降結構，不同定位

5、控制；但都實現(xiàn)了刀盤的正向換刀和反向鎖緊，刀盤的圓周定位功能。和反向鎖緊，刀盤的圓周定位功能。圖2.2 LDB4電動刀架v液壓刀架是集機、電、液于一體的主要機床附件，已廣泛應用于各液壓刀架是集機、電、液于一體的主要機床附件，已廣泛應用于各類中高檔數(shù)控車床。動力驅動是由液壓旋轉馬達和液壓伸縮缸來完成，類中高檔數(shù)控車床。動力驅動是由液壓旋轉馬達和液壓伸縮缸來完成，而位置控制是由光電編碼器系統(tǒng)和機械定位副齒牙盤來控制。液壓刀而位置控制是由光電編碼器系統(tǒng)和機械定位副齒牙盤來控制。液壓刀架換刀動作包括松開、分度、預定位、精定位、夾緊五個主要動作。架換刀動作包括松開、分度、預定位、精定位、夾緊五個主要動作

6、。圖2.3 液壓刀架由于伺服刀架的出現(xiàn)，使伺服刀架本體上加裝動力模塊的動力刀架也應運而生，這種雙伺服的動力刀架主要配置在中端的車削中心上，動力刀架的轉位和動力刀具的驅動采用的都是伺服電機，因而結構上有進一步整合和發(fā)展的空間。1990年代，出現(xiàn)了單伺服動力刀架產品，這種動力刀架主要搭配在各種高端的車削中心和車銑復合加工中心上，其結構復雜，技術含量高。圖2.4 非動力伺服刀架v伺服電動刀架主要用于高檔數(shù)控機床，其機械結構簡單，剛性好，鎖緊迅速可靠。系統(tǒng)由刀架控制器、伺服電機、減速器、液壓鎖緊系統(tǒng)等構成，可完成刀盤的轉位、轉速、初定位、精定位動作和鎖緊及選刀控制等動作。2.2.22.2.2動力刀架的

7、用途動力刀架的用途 伴隨加工件的日益復雜化、精度等級以及加工效率的進步，多軸向、高轉速成為工具機必備的條件，除了加工中心機走向機能復合化外，車床方面已由早期的臥式車床開發(fā)出許多新的加工型態(tài)，例如雙刀塔、立式車床、倒立車床、以及車銑概念機種，以順應新時代加工方式的需求。 其中車銑概念復合機無疑是一項新技術結合的工具機杰作，最大的優(yōu)點在于可輕易地在同一機臺上做復雜零件的加工，車銑復合機可同時進行車削( Turning )、鉆孔( Drilling )、攻牙( Thread Cutting )、端面切槽( Slot Cutting )、側面切槽( Keyway Cutting )、側面銑削( Fac

8、e Cutting )、角度鉆孔( C-axis Angle Drilling )、曲線銑削( Cam Cutting ).等等。即由一臺工具機即可完成一個零件的所有加工流程，大大降低上下料換機臺加工的時間，以及減少人為公差的機會，達到“Do In One”的加工概念（如圖2.5）。2.22.2動力刀架動力刀架2.2.12.2.1動力刀架含義：動力刀架含義：具有刀具傳動裝置的刀架一般稱為動力刀架。比如，在轉塔（回輪）刀架上裝有回轉刀具時，轉塔（回輪）刀架就兼有鉆、銑等功能。動力刀架鉆孔、攻螺紋動力刀架鉆孔、攻螺紋 動力刀架角度鉆孔、銑削動力刀架角度鉆孔、銑削曲面曲面 動力刀架銑側平面動力刀架銑

9、側平面 Do In One在新世代車銑復合機中，不論是具分度的C軸頭部、副主軸、Y軸等，都必須搭配動力刀塔才能具備車銑復合的功能，因此一座功能性佳、精度高的C軸動力刀塔，將使新世代車銑復合機更臻完善。動力刀架銑削槽口動力刀架銑削槽口圖2.5車銑概念復合機功能（1 1）動力刀架是根據(jù)動力刀和刀盤換刀是否用同一個動力源將）動力刀架是根據(jù)動力刀和刀盤換刀是否用同一個動力源將動力刀架分為：動力刀架分為：圖2.6 單伺服動力刀架圖2.7雙伺服動力刀架單伺服刀架（圖2.6）雙伺服刀架（圖2.7）2.2.3動力刀架分類（2 2）動力刀架又根據(jù)動力刀與刀架軸線的角度分為：）動力刀架又根據(jù)動力刀與刀架軸線的角度

10、分為：軸向伺服刀架（其刀盤如圖2.8）徑向伺服刀架（其刀盤如圖2.8）皇冠型伺服刀架（如圖2.8）圓型軸向刀盤多角型徑向刀盤皇冠型刀架圖2.8圖2.9 Y軸動力刀架圖2.10 B軸動力刀架（3 3）動力刀架上動力刀的進給一般是依賴于刀架的進給）動力刀架上動力刀的進給一般是依賴于刀架的進給系統(tǒng)，為提高動力刀的加工范圍部分動力刀架增加系統(tǒng)，為提高動力刀的加工范圍部分動力刀架增加Y Y軸和軸和B B軸，形成軸，形成Y Y軸動力刀架（如圖軸動力刀架（如圖2.92.9）和）和B B軸動力刀架（如圖軸動力刀架（如圖2.102.10）。）。（4 4）刀架鎖緊方式）刀架鎖緊方式v 刀架的鎖緊方式直接影響到刀加

11、的精度以及切削時的剛性，主要可分為 雙聯(lián)齒盤方式 三聯(lián)齒盤方式（如圖2.11）v 目前C軸動力刀塔皆屬三聯(lián)齒盤式的結構，雖然三片式的剛性較兩片式略差，但是三片式構造的防水性與防屑性均佳，且刀盤只需作旋轉而不需作推出的動作，有利于換刀時間的縮短與伺服動力刀塔之設計 圖2.11 迪普馬刀架3.3.動力刀架結構動力刀架結構v 目前較大的刀塔制造商皆屬歐系公司，如Sauter (德國)、Duplomatic (意大利)、Baruffaldi (意大利)等，在刀塔設計開發(fā)上大多遵循所謂的德式快換刀座( VDI Toolholder System )規(guī)范，因此在VDI規(guī)范占有較大的市占有率下，其后較小型的

12、刀塔制造商以及工具機廠所自行研發(fā)的動力刀塔也都會依循此規(guī)范。3.13.1三聯(lián)齒盤式轉塔動力刀架結構分析三聯(lián)齒盤式轉塔動力刀架結構分析 v 三聯(lián)齒盤式轉塔動力刀架主要采用如圖3.1所示的刀架結構，包括定齒盤、動齒盤、鎖緊齒盤、活塞、導向銷、主軸、傳動齒輪和伺服電機等。其中，動齒盤安裝在主軸上，定齒盤安裝在箱體上，鎖緊齒盤安裝在動齒盤和定齒盤的對側，構成三聯(lián)齒盤，活塞與鎖緊齒盤安裝在一起，并通過導向銷與油腔端蓋相連。當需要轉位時，前油腔通入液壓油，在活塞的作用下鎖緊齒盤與動、定齒盤分離，伺服電機通過齒輪1、2、3和大齒輪的傳動，主軸旋轉，使刀架轉位，轉位到位后由伺服電機停止轉動并鎖緊，實現(xiàn)初定位；

13、初定位后，后油腔通入液壓油，在活塞的作用下鎖緊齒盤與動、定齒盤嚙合，實現(xiàn)精定位。3.1.13.1.1三聯(lián)齒盤式轉塔動力刀架結構三聯(lián)齒盤式轉塔動力刀架結構圖3.1 三聯(lián)齒盤式轉塔動力刀架結構示意圖3.1.23.1.2三聯(lián)齒盤式轉塔動力刀架優(yōu)缺點三聯(lián)齒盤式轉塔動力刀架優(yōu)缺點v 優(yōu)點：優(yōu)點： 鎖緊齒盤質量小，滑移速度快，且沖擊小。v 缺點：缺點：齒盤間裝配間隙和誤差難調整 安裝三聯(lián)齒盤時，動齒盤與定齒盤之間難免有裝配誤差，動齒盤和定齒盤產生軸向錯位：如果鎖緊齒盤與定齒盤緊密結合則不能與動齒盤緊密結合，如圖3.2所示；如果鎖緊齒盤與動齒盤緊密結合則無法與定齒盤緊密結合，如圖3.3所示。如此造成三聯(lián)齒盤

14、的接觸面的剛度降低，刀架的重復定位精度減小，甚至發(fā)生“吃刀”現(xiàn)象。其中：111為動齒盤，112為定齒盤，113為鎖緊齒盤。 圖3.2圖3.33.1.33.1.3技術改進技術改進v對于這種情況，在不改進刀架結構的前提下，可以對加工及裝配工藝加以改進，加工過程中嚴格保證安裝面的精度要求；裝配過程中，對于誤差大的零件的安裝表面進行刮研刮研處理，已達到合理的裝配誤差。3.23.2皇冠型轉塔動力刀架結構分析皇冠型轉塔動力刀架結構分析3.2.1德國Sauter的皇冠型動力刀架，其結構圖如圖3.4、3.5所示圖3.4 皇冠型動力刀架v 此種刀架主要用于專用機床上，并且只能安裝動力刀，由于刀架的換刀過程中涉及

15、到面齒輪，目前我國還無法加工，因此這種刀架基本都是從外國進口，且價格昂貴。 圖3.5 皇冠型動力刀架結構簡圖3.2.2為了改進刀架的傳動以及換刀方式，美國專利提出了自己的結構方案，如圖3.6圖3.6 皇冠型刀具連續(xù)旋轉動力伺服轉塔刀架結構圖圖3.7 分度機構圖3.8 定位機構v分度機構及定位機構分度機構及定位機構v優(yōu)點及不足優(yōu)點：換刀迅速摩擦小不足：功率利用率低定位方式剛度低圖3.9v改進與優(yōu)化由于此種刀架的結構上導致刀架剛度低，精度差，因此無法在制造機裝配上進行技術改進，但此種刀架的設計思路給了我們很大的啟發(fā)。根據(jù)這種刀架的結構思路：l在其動力傳遞方式上，增加過渡輪機構，使其只有在工位上的刀具才能轉動，提高刀架的功率利用率；l在定位方式上采用雙聯(lián)齒盤的定位方式，提高刀架的定位剛度和精度。圖3.10 結構改進與優(yōu)化4.4.結束語結束語 伴隨加工件的日益復雜化、精度等級以及加工效率的進步，多軸向、高轉速成為工具機必備的條件，除了加工中心機走向機能復合化外，車床方面已由早期的臥式車床開發(fā)出許多新的加工型態(tài)，例如雙刀塔、立式車床、倒立車床、以及車銑概念機種，以順應新時代加工方式的需求。其中車銑概念復合機無疑是一項新技術結合的工具機杰作，最大的