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刀库系统是提供自动化加工过程中所需之储刀及换刀需求的一种装置。其自动换刀机构及可以储放多把刀具的刀库,改变了传统以人为主的生产方式。借由电脑程序的控制,可以完成各种不同的加工需求,如铣削、钻孔、镗孔、攻牙等,大幅缩短加工时程,降低生产成本,这是刀库系统的最大特点。


1主要构成

刀库主要是提供储刀位置,并能依程式的控制,正确选择刀具加以定位,以进行刀具交换;换刀机构则是执行刀具交换的动作。刀库必须与换刀机构同时存在,若无刀库则加工所需刀具无法事先储备;若无换刀机构,则加工所需刀具无法自刀库依序更换,而失去降低非切削时间的目的。此二者在功能及运用上相辅相成缺一不可。

近年来刀库的发展已超越其为工具机配件的角色,在其特有的技术领域中发展出符合工具机高精度、高效能、高可靠度及多工复合等概念之产品。其产品品质的优劣,关系到工具机的整体效能表现。

刀库的容量、布局,针对不同的工具机,其形式也有所不同,根据刀库的容量、外型和取刀方式可概分为以下几种:

1-1-1 斗笠式刀库

一般只能存16~24把刀具,斗笠式刀库在换刀时整个刀库向主轴移动。当主轴上的刀具进入刀库的卡槽时,主轴向上移动脱离刀具,这时刀库转动。当要换的刀具对正主轴正下方时主轴下移,使刀具进入主轴锥孔内,夹紧刀具后,刀库退回原来的位置。

1-1-2 圆盘式刀库

圆盘式刀库通常应用在小型立式综合加工机上。"圆盘刀库"一般俗称"盘式刀库",以便和"斗笠式刀库"、"链条式刀库"相区分。圆盘式的刀库容量不大,顶多二、三十把刀。需搭配自动换刀机构ATC(Auto Tools Change)进行刀具交换。

1-1-3 链条式刀库

链条式刀库的特点是可储放较多数量之刀具,一般都在20把以上,有些可储放120把以上。它是藉由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。换刀动作均采用马达加机械凸轮的结构,此设计之结构简单、动作快速、确实、可靠,但是价格较高,通常为客制化产品。

自动换刀系统是CNC工具机的重要组成部分,主要是将加工所需刀具,从刀库中传送到主轴夹持机构上。刀具夹持元件的结构特性及其与工具机主轴的联结方式,将直接影响工具机的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式,则会影响工具机的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度,又会对整机的成本产生直接影响。

数控工具机的自动换刀系统大概分为1.油压机构2.气压机构3.电气式凸轮机构。在不断追求速度及可靠性提升的数控工具机市场,凸轮式换刀机构就广泛的被采用。此设计只用一个驱动马达就可完成复杂的换刀动作,快速确实,除了换油外没有其他消耗零件及保养需求,故障率最少,寿命超过百万次以上。

一般具有ATC装置者都有ATC臂。换刀时若是需要在刀具库与主轴两处更换,则需要ATC臂来补助。但有些工具机并不需要ATC臂即可完成换刀动作。

2发展趋势

未来工具机产业的发展,均以追求高速、高精度、高效率为目标。随着切削速度的提高,切削时间的不断缩短,对换刀时间的要求也在逐步提高;换刀的速度已成为高等级工具机的一项重要指标。

快速自动换刀技术是以减少辅助加工时间为主要目的,综合考虑工具机的各方面因素,在尽可能短的时间内完成刀具交换的技术方法。一般强调换刀速度快的卧式机台,皆有几个特点:1.刀臂短 2.刀臂不一定成直线 3.两刀可能互相垂直 4.凸轮箱小且可移动。其主要目的是要让换刀时,可动件之转动惯量小,以达到快速换刀之目的。该技术包括刀库的设置、换刀方式、换刀执行机构和适应高速工具机的结构特点等。

换刀速度指标


衡量换刀速度的方法主要有二种:1.刀到刀换刀时间(T to T) 2.切屑到切屑换刀时间(C to C)。由于切屑到切屑换刀时间基本上就是综合加工机两次切削之间的时间,反映了综合加工机换刀所需的辅助时间,因此切屑到切屑换刀时间应是衡量综合加工机效率高低的最直接指标。而刀到刀换刀时间则主要反映自动换刀装置本身性能的好坏,适合作为工具机自动换刀装置的性能指标,这两种方法通常用来评价换刀速度。至于换刀时间多少才算得上是高速工具机,并没有确定的指标,在技术条件可能的情况下,应尽可能提高换刀速度。

换刀速度原则


工具机的换刀装置,通常由刀库和换刀机构组成,有些应用机械手臂换刀,有些换刀方式并不需要机械手臂,刀库的形式和摆放位置也不一样。为了适合高速运动的需要,高速工具机在结构上已和传统的工具机不同。以刀具运动进给为主,减小运动工件的质量,已成为高速工具机设计的主流。因此,设计换刀装置时,要充分考虑到高速工具机的结构特征。

换刀速度方法


适合于工具机的快速自动换刀技术主要有以下几个方面:

在传统自动换刀装置的基础上提高动作速度,或采用动作速度更快的机构和驱动元件。例如,机械凸轮结构的换刀速度高于液压和气动结构。

根据高速工具机的结构特点设计刀库和换刀装置的形式和位置。例如,传统工具机的刀库和换刀装置多装在立柱一侧,在高速工具机则多为立柱移动的进给方式,为减轻运动件质量,刀库和换刀装置不宜再装在立柱上。

采用新方法进行刀具快速交换,不用刀库和机械手方式,而改用其它方式换刀。例如不用换刀,用换主轴的方法。

使用适合于高速工具机的刀柄。如HSK刀柄质量轻,装卸刀具的行程短,可以使自动换刀装置的速度提高。快速自动换刀装置采用HSK空心短锥柄刀是发展的趋势。

参考资料

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