高速加工中心的快速自動換刀技術

　　0引言

高速加工中心是高速機床的典型產品，高速功能部件如電主軸、高速絲杠和直線電動機的發展應用極大地提高了切削效率。為了配合機床的高效率，作為加工中心的重要部件之一的自動換刀裝置(ATC)的高速化也相應成為高速加工中心的重要技術內容。

　　隨著切削速度的提高，切削時間的不斷縮短，對換刀時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重要指標。

　　由于加工中心的自動換刀要求可靠準確，而且結構相對比較復雜，提高換刀速度技術難度大。目前國外機床先進企業生產的高速加工中心為了適應高速加工，大都配備了快速自動換刀裝置，很多采用了新技術、新方法。本文將介紹一些提高換刀速度的技術方法和國外先進高速加工中心的快速自動換刀技術，希望對我國高速加工中心的發展有些幫助。

　　1快速自動換刀技術

　　快速自動換刀技術是以減少輔助加工時間為主要目的，綜合考慮機床的各方面因素，在盡可能短的時間內完成刀具交換的技術方法。該技術包括刀庫的設置、換刀方式、換刀執行機構和適應高速機床的結構特點等。

　　(1)換刀速度指標

　　衡量換刀速度的方法主要有三種：①刀到刀換刀時間：②切削到切削換刀時間：③切屑到切屑換刀時間。由于切屑到切屑換刀時間基本上就是加工中心兩次切削之間的時間，反映了加工中心換刀所占用的輔助時間，因此切屑到切屑換刀時間應是衡量加工中心效率高低的最直接指標。而刀到刀換刀時間則主要反映自動換刀裝置本身性能的好壞，更適合作為機床自動換刀裝置的性能指標。這兩種方法通常用來評價換刀速度。至于換刀時間多少才是高速機床的快速自動換刀裝置并沒有確定的指標，在技術條件可能的情況下，應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點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間，從而和高速切削的機床相配合。

　　加工中心的換刀裝置通常由刀庫和刀具交換機構組成，常用的有機械手式和無機械手式等方式。刀庫的形式和擺放位置也不一樣。為了適合高速運動的需要，高速加工中心在結構上已和傳統的加工中心不同，以刀具運動進給為主，減小運動件的質量已成為高速加工中心設計的主流。因此，設計換刀裝置時，要充分考慮到高速機床的新結構特征。

　　在設置高速加工中心上的換刀裝置時，時間并不是唯一的考慮因素。首先，應在換刀動作準確、可靠的基礎上提高換刀速度。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，這一點尤其重要：其次，要根據應用對象和性能價格比選配ATC。在換刀時間對生產過程影響大的應用場合，要盡可能提高換刀速度。例如，在汽車等生產線上，換刀時間和換刀次數要計入零件生產節拍。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。

　　(3)提高換刀速度的主要技術方法

　　適合于高速加工中心的快速自動換刀技術主要有以下幾個方面：

　　在傳統的自動換刀裝置的基礎上提高動作速度，或采用動作速度更快的機構和驅動元件。例如，機械凸輪結構的換刀速度要大大高于液壓和氣動結構。日本SODIC公司生產的MC450立式加工中心的機械凸輪結構的快速換刀裝置，刀到刀換刀時間只有0.6s。

　　根據高速機床新的結構特點設計刀庫和換刀裝置的形式和位置。例如，傳統的立式加工中心的刀庫和換刀裝置多裝在立柱一側：而高速加工中心則多為立柱移動的進給方式，為減輕運動件質量，刀庫和換刀裝置不宜再裝在立柱上。

　　采用新方法進行刀具快速交換。不用刀庫和機械手方式，而改用其它方式換刀。例如不用換刀，用換主軸的方法。

　　利用新開發的加工中心的主軸部件可作6自由度高速運動這一特點，讓主軸直接參與換刀過程，不僅可使刀庫配置位置靈活，而且可減少刀庫運動的自由度，顯著簡化刀庫和換刀裝置的結構。

　　適合于高速加工中心的刀柄。HSK刀柄質量輕，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空心短錐柄刀是發展的趨勢。

　　2快速換刀的一些結構方法

　　除了在傳統換刀裝置的基礎上提高動作速度外，還出現了一些新方法和新結構換刀裝置。

　　下面介紹其中一些，以供參考。

　　(1)多主軸換刀

　　這種機床沒有傳統的刀庫和換刀裝置，而是采用多個主軸并排固定在主軸架上，一般為3～18個。每個主軸由各自的電動機直接驅動，并且每個主軸上安裝了不同的刀具。換刀時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主軸的加工位置移動到另一個裝有不同刀具的主軸，實現換刀并立即加工。這個移動時間就是換刀時間，而且非常短。由夾具快速移動完成換刀，省去了復雜的換刀機構。奧地利ANGERG公司生產的這種結構的機床，實現了切屑到切屑換刀時間僅為0.4s。是目前世界上切屑到切屑換刀時間最短的機床。這種結構的機床和通常的加工中心結構已大不相同。不僅可以用于需要快速換刀的加工，而且可以多軸同時加工，適合在高效率生產線上使用。

　　(2)雙主軸換刀

　　加工中心有兩個工作主軸，但不是同時用于切削加工。一個主軸用于加工，另一個主軸在此期間更換刀具。但需要換刀時，加工的主軸迅速退出，換好刀具的主軸立即進入加工。由于兩個過程可以同時進行，換刀時間實際就是已經裝好刀具的兩個主軸的換位時間，使輔助時間減到最少，即機床切屑到切屑換刀時間達到最短。由于有兩個主軸，這種機床的刀庫和換刀機械手可以是一套，也可以是兩套。如德國Alfing-Kessler公司生產的加工中心采用雙主軸系統，使用一套刀庫和換刀機械手。而德國Hornsberg-Lamb公司生產的HSC-500、HSC-630、HFC-630加工中心有兩個主軸和兩套換刀系統。兩個主軸可以用1.0～1.5s的時間移動到加工位置并啟動加速到加工的最大速度。具體的交換時間取決于機床的尺寸。

　　(3)刀庫布置在主軸周圍的轉塔方式

　　這種方式，刀庫本身就相當于機械手，即通過刀庫拔插刀并采用順序換刀，使機床切屑到切屑換刀時間較短。這種方式如果要實現任意換刀，則就隨所選刀在刀庫的位置不同而存在時間長短不等，最遠的刀可能切屑到切屑換刀時間較長。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機械手的方式使換刀幾乎沒有時間的損失，并可以采用任意選刀的方式。德國CHIRON公司生產的這種結構的機床，實現了切屑到切屑換刀時間僅為1.5s，是目前世界上單主軸機床切屑到切屑換刀時間最短的加工中心。

　　3配備快速自動換刀裝置的加工中心

　　國內外一些技術先進的機床制造公司開發出了多種采用不同技術的具有快速換刀裝置的高速加工中心，一個很重要的特點是換刀技術的多樣化，其目的都是努力縮短刀具交換時間。下表所列是切屑到切屑換刀時間小于4s的高速加工中心。

　　4結束語

　　金屬切削機床的高速化已成為機床發展的重要方向之一，因此，快速換刀技術已經成為高速加工中心技術的重要組成部分。新技術和新方法在不斷地出現和改進，其目的只有一個，即在準確可靠的基礎上，縮短換刀時間，全面提高高速加工中心的切削效率。我國的高速機床制造業應該及時學習和盡快掌握先進的技術方法，不斷提高國產高速加工中心的制造水平。