适用于校平刀等大型刀具的机床刀库设计

□ 王 锐

通用技术沈阳机床股份有限公司 沈阳 110141

1 设计背景

刀库是加工中心的重要组成部分,是提供储刀的位置,也是依程序的控制,正确选择刀具加以定位,配合主轴共同完成刀具交换包括有刀和无刀切换动作的机构。

常规刀库主要有圆盘式、链式、斗笠式等,且相关研究成果较多,但这些刀库对刀具的直径、长度和质量都有相应的限制。这些限制对于常规使用的刀具是可以满足的,但有些时候,机床会用到一些特殊的刀具,比如校平刀,如图1所示。

▲图1 校平刀

校平刀是一种用来快速找正工件的工具,其末端为刀柄结构,可像常规刀具一样连接于主轴鼻端,前端为一字型,两端各有一个用来接触工件的压块,两压块其端面连线与刀柄轴线垂直。中部有弹簧和导向机构,使用时通过压缩弹簧可增大对工件的压力,使工件与校平刀紧密贴合,其接触面即与主轴轴线垂直,进而快速完成对工件位置的找正,如图2所示。校平刀通常直径和质量较大,常规的刀库难以满足存储校平刀的需求。

▲图2 校平刀在桥壳找正过程中的应用

为解决校平刀这类大型刀具或工具的存储和使用问题,很多目前常规的解决方案是在机床工作台上合适位置制作一个固定支架,将校平刀通过特定装置,如刀爪,存储在固定支架上,需要时主轴移动到该支架位置将校平刀取走,用完后归还原位。有研究人员通过在工作台上安装固定刀架的方式,解决了某型加工中心大型镗刀的存放及使用问题。该方案虽结构简单,成本低廉,但存在两个主要问题。首先,工作台面往往空间有限,很难找到合适的空间用来安装校平刀的支架。其次,工作台面位于加工区内,机床加工工件时该区域会有大量的冷却液和铁屑,铁屑容易挂在校平刀的刀柄上,影响主轴抓刀。

为解决上诉问题,需要一种远离加工区、配备防护机构、并可实现自动刀具取送的刀库来满足校平刀等大型刀具或工具的使用,为此,笔者开发了一种独立于主刀库之外的刀库机构,来满足使用要求。

2 机构介绍

笔者研发了一种用于校平刀等大型刀具或工具的独立刀库,以下简称校平刀刀库,并在龙门机床上的应用进行具体描述,如图3所示,校平刀刀库结构如图4所示,刀爪伸出状态如图5所示。刀库包括刀库底板,换刀臂通过直线导轨及滑块与刀库底板连接,直线导轨安装在换刀臂上,滑块安装在刀库底板上。换刀臂前端装有调整垫及刀爪,用来夹持校平刀。换刀臂由气缸推动,沿导轨方向带着校平刀前后移动,换刀臂的伸出和退回均有位置检测机构,包含伸出到位开关及支架、退回到位开关及支架、伸出到位开关簧片、退回到位开关簧片,以及有刀检测开关及支架。

换刀臂伸出到位限位机构主要用来完成换刀臂伸出位置的准确控制,如图6所示。限位块经热处理提高硬度,当换刀臂伸出到位时,限位块与刀库底板相接触,阻止换刀臂继续前进,进而完成限位。限位块与调整支架连接,调整螺钉可将调整支架向前顶或向后拉,进而调整限位块的准确位置,调整之后通过锁紧螺钉将调整支架锁紧,完成调整。要说明的是,换刀臂的退回到位可通过气缸自身的行程极限控制,无严格的位置要求,所以无需额外加装换刀臂退回到位机构。

▲图3 校平刀刀库在龙门机床上的应用实例

刀库俯仰调整机构如图7所示,主要用来调整刀库的俯仰姿态,刀库底板的下方前后各有一处调整机构,调整螺钉可将刀库底板向上顶或向下拉,前后两个调整机构共同完成对刀库俯仰姿态的控制。

3 主轴取刀过程

主轴取刀过程如图8所示。

第一步,主轴转到指定角度,并移动到指定位置,即换刀点上方,换刀门打开。进行有刀开关检测、换刀门打开到位检测,均有信号则进行下一步,否则机床报警。

第二步,换刀臂伸出,进行换刀臂伸出开关检测,有信号则进行下一步,否则机床报警。

第三步,主轴下移到指定位置,即换刀点,抓住刀具。主轴抓刀相关开关检测,信号正常则进行下一步,否则机床报警。

第四步,换刀臂退回,退回到位随后换刀门关闭。进行换刀臂退回开关检测、刀库门关闭到位检测、有刀开关检测,信号均正常则表示主轴取刀动作完成,否则机床报警。

4 主轴还刀过程

主轴还刀过程如图9所示。

第一步,主轴转到指定角度,并移动到指定位置,即换刀点,换刀门打开。换刀门打开到位检测,有信号则进行下一步,否则机床报警。

▲图4 校平刀刀库结构▲图5 刀爪伸出状态▲图6 换刀臂伸出到位限位机构

第二步,换刀臂伸出,换刀臂伸出开关检测,有信号则进行下一步,否则机床报警。

第三步,主轴松刀。主轴松刀动作及检测,信号正常则进行下一步,否则机床报警。

▲图7 刀库俯仰调整机构▲图8 主轴取刀过程

第四步,主轴上移。

第五步,换刀臂退回,退回到位随后换刀门关闭。进行换刀臂退回开关检测、换刀门关闭到位检测、有刀开关检测,信号均正常,则表示主轴还刀完成,否则机床报警。

主轴取刀及还刀流程分别如图10、图11所示。

▲图9 主轴还刀过程

▲图10 主轴取刀流程

▲图11 主轴还刀流程

5 其它应用实例

笔者所研发的刀库除了可在龙门机床上应用之外,还可以广泛应用于其它主轴在Z向移动的机床,如倒T型卧式加工中心,如图12所示。

▲图12 校平刀刀库在倒T型卧式加工中心上的应用

6 结束语

笔者研发了一种适用于较大型刀具存储和换刀的刀库,刀库前端安装有刀爪,由气缸驱动,沿直线导轨前后移动,配备完善的信号检测功能,刀库安装位置远离加工区,可配合换刀门,避免了铁屑和冷却液对刀具的影响,弥补了普通刀库对某些大型刀具或工具的适应能力不足的缺点。该刀库可广泛应用于主轴可以在Z向移动的机床,并且已在SUC3000VM10加工中心上得到应用和验证,效果良好。