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(4)镗铣类数控机床刀具选择
镗铣类数控机床刀具按加工方式不同可分为钻削刀具、镗削刀具、铣削刀具、螺纹加工刀具、铰削刀具等。
①钻削刀具。数控车床钻削是镗铣类数控机床在实心材料上加工出孔的常见办法。钻削还用于扩孑L、锪孑L。钻头按结构分类有整体式、刀体焊接式、刀刃焊接式、可转位钻头;按柄部形状分类可分为直柄钻头、加工中心直柄扁尾钻头、(莫氏)锥柄钻头;按刃沟形状分类有右螺旋钻头、左螺旋钻头、直刃钻头;按刀体截面形状分类有内冷钻头、双刃带钻头、乎刃沟钻头;按长度分类有标准钻头、长型钻头、短型钻头;按用途分有中心钻、扩孔钻、锪钻、阶梯钻、导 向钻等。
a.中心钻。中心钻先在实心工件上加工出中心孔,起到定位和引导钻头的作用。
b.麻花钻。麻花钻一般为高速钢材料,制造容易,价格低廉,应用广泛。但标准麻花钻有许多缺点,如:不利屑的卷曲、切削性能差、排屑性能差、磨损快。
c.修磨麻花钻。针对标准麻花钻的缺点,可对其进行修磨,一般有以下几种方法:修磨主切削刃;修磨横刃;修磨前刀面;修磨棱边;修磨分屑槽。
d.扩孔钻。加工中心应用扩孔钻,加工效率高,质量好。
e.锪钻。用于加工沉头孔和端面凸台等。
f.硬质合金可转位式钻头。用于扩孔,数控车床也可加工实心孔,加工中心加工效率高、质量好。
g.加工中心用枪钻。用于长径比在5以上的深孑Lh口工。
②镗削刀具。分为单刃镗刀、双刃镗刀。
a.单刃镗刀。单刃镗刀是把类似车刀的刀尖装在镗刀杆上而形成的。刀尖在刀杆上的安装位置有两种:刀头垂直镗杆轴线安装,适于加工通孔;刀头倾斜镗杆轴线安装,适于盲孔、台阶孔的加工。
b.双刃镗刀。双刃镗刀常用的有定装式、机夹式和浮动式三种。双刃镗刀的好处是径向力得到平衡,工件孑L径尺寸由镗刀尺寸保证。浮动镗刀的刀块能在径向浮动,加工时消除了机床、刀具装夹误差及镗杆弯曲等误差,但不能矫正孔直线度误差和孑L的位置度误差。
③铣削刀具。
a.端铣刀。端铣刀主要用于加工平面,数控车床但是主偏角为90‘的端铣刀还能用于加工浅台阶。端铣刀一般做成可转位式。
b.立铣刀。立铣刀使用灵活,有多种加工方式。立铣刀按构成方式可分为整体式、焊接式和可转位式三种;按功能特点可分为通用立铣刀、键槽立铣刀、平面立铣刀、球头立铣刀、圆角立铣刀、多功能立铣刀、倒角立铣刀、T形槽立铣刀等。
c.盘形铣刀。包括槽铣刀、两面刃铣刀、三面刃铣刀。槽铣刀有一个主切削刃,用于加工浅槽。两面刃铣刀有一个主切削 刃、一个副切削刃,可用于加工台阶。三面刃铣刀有一个主切削刃、加工中心两个副切削刃,用于切槽及加工台阶。锯片铣刀比槽铣刀更窄,用于切断、切窄槽。
d.成形铣刀。为了提高效率,满足生产要求,有些零件可以采用成形铣刀进行铣削。 ④铰削刀具。铰刀主要用于孔的精加工及高精度孑L的半精加工。圆柱铰刀比较常见,
但其加工性能不是很好,且无法加工有键槽的孔。加工中心广泛应用带负刃倾角的铰刀和螺旋齿铰刀。螺旋齿铰刀有两种,一种是普通螺旋齿铰刀,其刀齿有一定的螺旋角,切削平稳,能够加工带键槽的孔;另一种是螺旋推铰刀。其特点是螺旋角很大,切削刃长,连续参加切削,数控车床所以切削过程平稳无振动,切屑呈发条状向前排出,避免了切屑擦伤已加工孑L壁。
⑤螺纹加工刀具。加工中心一般使用丝锥作为螺纹加工刀具,丝锥加工螺纹的过程叫攻螺纹。一般丝锥的容屑槽制成直的,也有的做成螺旋形。螺旋形容屑槽排屑容易,切屑呈螺旋状。加工右旋通孔螺纹时,选用左旋丝锥;加工右旋盲孔螺纹时,选用右旋丝锥。
⑥刀柄。镗铣类数控机床刀具种类繁多,而每种刀具都有特定的结构及使用方法,要想实现刀具在主轴上的固定,必须有一中间装置,该装置必须能够装夹刀具又能在主轴上准确定位。装夹刀具的部分(直接与刀具接触的部分)叫工作头,而安装工作头又直接与主轴接触的标准定位部分就叫刀柄。加工中心一般采用7;24锥柄,加工中心这是因为这种锥柄不自锁,并且与直柄相比有高的定心精度和刚性。数控车床刀柄要配上拉钉才能固定在主轴锥孔上,刀柄与拉钉都已标准化,刀柄型号主要有30、40、45、50、60等,刀柄标志代号有JT、BT、ST等,其中JT表示以国际ISO 7388、美<
⑦镗铣类装夹工具系统。加工中心的工具系统是刀具与加工中心的连接部分,由工作头、刀柄、拉钉、接长杆等组成,起到固定刀具及传递动力的作用。数控车床工具系统是能在主轴和刀库之间交换的相对独立的整体。机床工具系统的性能往往影响到加工中心的加工效率、质量、刀具的寿命、切削效果。另外,加工中心使用的刀柄、刀具数量繁多,合理地调配工具系统对成本的降低也有很大意义。
加工中心使用的工具系统是指镗铣类工具系统,可分为整体式与模块式两类。
a.整体式工具系统把刀柄和工作头做成一体,使用时选用不同品种和规格的刀柄即可使用,优点是使用方便、可靠,缺点是刀柄数量多。
b.模块式工具系统是指刀柄与工作头分开,做成模块式,然后通过不同的组合而达到使用目的,减少了刀柄的个数。
(5)加工中心刀库及换刀方法
①刀库。刀库是用来储存加工刀具及辅助工具的,数控车床是自动换刀装置中最主要的部件之一。由于多数加工中心的取送刀具位置都是在刀库中某一固定刀位,因此刀库还需要有使刀具运动的机构来保证换刀的可靠性。刀库中刀具的定位机构是用来保证要更换的每一把刀具或刀套都能准确地停在换刀位置上。机床其控制部分可以采用简易位置控制器,或类似半闭环进给系统的伺服位置控制,也可以采用电气和机械相结合的销定位方式,一般要求其综合定位精度达到o.1~乱5mm,即可采用电动机或液压系统为刀库转动提供动力。
a.刀库的类型按刀库的结构形式可分为圆盘式刀库、链式刀库和箱型式刀库,前两种较为常见。
圆盘式刀库其结构简单,应用也较多。但因刀具采用单环排列,空间利用率低,因此出现了将刀具在盘中采用双环或多环排列的形式,以增加空间利用率。但这样使刀库的外径扩大,转动惯量也增大,选刀时间也长,所以,圆盘式刀库一般用于刀具容量较小的刀库。
链式刀库,适用于刀库容量较大的场合。数控车床链的形状可以根据机床的布局配置,也可将换刀位突出以利于换刀。当需要增加链式刀库的刀具容量时,只需增加链条的长度,在一定范围内,机床无需变更刀库的线速度及惯量。一般刀具数量30一120把时都采用链式刀库。
另外,按设置部位的不同,刀库可以分为顶置式、侧置式、悬挂式和落地式等多种类型。按交换刀具还是交换主轴,刀库可分为普通刀库(简称刀库)和主轴箱刀库。
b.刀库的容量确定。刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要。对若干种工件进行分析表明,各种加工所必需的刀具数量是4把铣刀可完成工件95%左右的铣削工艺,10把孔加工刀具可完成70%的钻削工艺,因此14把刀的容量就可完成70%以上工件的钻铣工艺机床。如果从完成工件的全部加工所需的刀具数目统计,数控车床则80%的工件(中等尺寸,复杂程度一般)完成全部加工任务所需的刀具数为40种以下。所以对于一般的中、小型立式加工中心,配有14~40把刀具的刀库就能够满足70%一95%工件的加工需要。
c.刀库的选刀方式。目前,加工中心刀库使用的选刀方式有顺序选刀和任意选刀两种。顺序选刀是在加工之前将加工零件所需刀具按照工艺要求依次插入刀库的刀套中,/顷序不能有差错,加工时按顺序调刀。加工不同的工件时必须重新调整刀库中的刀具顺序,因而操作十分繁琐,而且加工同一工件中各工序的刀具不能重复使用。这样就会增加刀具的数量,而且由于刀具的尺寸误差也容易造成加工精度的不稳定。数控车床其优点是刀库的驱动和控制都比较简单,机床因此这种方式适合加工批量较大、工件品种数量较少的中、小型自动换刀装置。
随着数控系统的发展,目前绝大多数的数控系统都具有刀具任选功能。任选刀具的换刀方式可以有刀套编码、刀具编码和记忆等方式。数控车床刀具编码或刀套编码都需要在刀具或刀套安装用于识别的编码条,摇臂钻床一般都是根据二进制编码原理进行编码。
刀具编码选刀方式采用了一种特殊的刀柄结构,并对每把刀具编码。由于每把刀具都具有自己的代码,刀具可以放在刀库中的任何一个刀座内,这样不仅刀库中的刀具可以在不同的工序中多次重复使用,而且换下的刀具也不用放回原来的刀座,这对装刀和选刀都十分有利,刀库的容量也可以相应地减少,而且还可以避免由于刀具顺序的差错所造成的事故。但是由于每把刀具上都带有专用的编码系统,使刀具的长度加长,制造困难,刀具刚度降低,同时使得刀库和机械手的结构也变得复杂。对于刀套编码的方式,一把刀具只对应一个刀套,从一个刀套中取出的刀具必须放回同一刀套中,取送刀具十分麻烦,换刀时间长。因此,无论是刀具编码还是刀套编码都给换刀系统带来麻烦。摇臂钻床目前,绝大多数加工中心都使用记忆式的任选换刀方式。这种方式是第一次给刀库装刀时,控制系统记忆刀库中的每个刀套号和该刀套上的刀具号,刀具在使用中不一定被送还到原来的刀套上,但是控制系统仍能记住该刀具号所在的新刀套号。数控车床这种方式有利于缩短换刀、选刀时间。由于这种方式经常改变刀具号与刀套的对应关系,所以在重新启动机床时必须使刀库回零,校验一下显示器上显示的内容与实际刀具的情况。
刀库选刀方式一般采用就近移动原则,即无论采取哪种选刀方式,在根据程序指令把下一工序要用的刀具移到换刀位置时,都要向距离换刀最近的方向移动,以节省选刀时间。
②换刀及刀具交换装置。数控机床的自动换刀系统中,实现刀库与机床主轴之间刀具传递和刀具装卸的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式通常分为无机械手换刀和有机械手换刀两大类。
a.无机械手换刀的方式是利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换。这种换刀机构不需要机械手,结构简单、紧凑。由于交换刀具时机床不工作,所以不会影响加工精度,数控车床但会影响机床的生产率。其次因刀库尺寸限制,装刀数量不能太多。这种换刀方式常用于小型加工中心。
b.采用机械手进行刀具交换的方式应用得最为广泛,这是因为机械手换刀有很大的灵活性,摇臂钻床而且可以减少换刀时间。机械手的结构类型多种多样,因此换刀运动也有所不同。
(6)刀具安装、标定及工件坐标系的建立
①刀具安装。加工中心使用的刀具由刀杆、通用刀柄、拉钉三部分组成(刀柄和拉钉型号参考具体设备说明),经装配后方能根据加工需要依次装入刀库。
②加工中心常用对刀仪器。
量块:一般用于刀具Z向标定。
Z向设定器:一般用于刀具Z向标定。
寻边器:标定刀具X、y向位置。寻边器常见有电子式和机械式两种。
找正器:用于确定圆心。
机内对刀器:用于刀具X、y、Z向标定。
机外对刀仪:在机床外测量刀具长度、直径和几何角度等,不占机时。
3D测头:自动测量刀具X、y、Z向的位置和补偿值。
③工件坐标系的建立。建立工件坐标系是数控加工的重要内容之一。数控车床建立工件坐标系实际就是将用户选定的编程坐标系告知CNC系统,若不能正确建立工件坐标系,即使编程指令正确,机床仍可能产生误动作。摇臂钻床机床的误动作有可能损坏刀具、机床,甚至可能会伤害到用户。
由于数控加工中心系统功能不同,建立工件坐标系的具体方法有所不同。但基本原理相类似。
a.直接法。直接法即试切法。启动主轴,选定一把基准刀接触工件上表面,设置Zo,即将基准刀Z向补偿值设为“o”;其他刀也触碰同一表面,标定其他刀的Z向补偿值。用刀具接触工件侧面设置X。、Yo。测量刀具直径或根据刀具公称直径确定刀具半径补偿值。
b.间接法。刀具不旋转,选择一把基准刀接触量块或Z向设定器,设置Z。。将基准刀Z向补偿值设为“0”,其他刀触碰同一表面,标定Z向补偿值。Xo、y。及刀具半径补偿值的确定相同。
c.机内对刀。机内对刀通常使用机床自备的机内对刀仪。数控车床以主轴端面为基准,各把刀具从Z向触碰对刀仪,系统自动测出数控套刀相对某一基准点的长度作为刀具长度补偿值(每把刀的长度补偿值均不为o