数控转塔刀架分类与结构分析 1.绪论 3 4 最早是在40年代初，由美国北密支安的一个小型飞机工业承包商派尔逊斯公司（Parsons Corporation）实现数字技术进行机械加工的。 1952年，麻省理工学院在一台立式铣床上，装上了一套试验性的数控系统，成功地实现了同时控制三轴的运动。这台数控机床被大家称为世界上第一台数控机床。 1954年11月，在派尔逊斯专利的基础上，第一台工业用的数控机床由美国本迪克斯公司（Bendix Cooperation）正式生产出来。 1959年3月，由美国卡耐?;特雷克公司（Keaney Trecker Corp.）开发出 第一台具有自动换刀装置的数控机床。 1980年代，在电动刀架和液压刀架的本体基础上外加动力刀具驱动模块的形式，构成了动力刀架。 1.1刀架的发展 刀架，作为机床的重要组成部分，刀架的发展是伴随着机床的发展的。 1.2我国数控刀架发展现状及未来发展要求 发展现状: 起步阶段，品种单一，不可靠。 与世界先进制造行业相比，存在很大的差距。 国内配套厂家较少 。 未来发展要求： 刀架转位时间最短，且转位准确。 刀架定位精度高、动作迅速、稳定可靠。 可多刀夹持，双向转位和任意刀位就近选刀； 应用范围广，维修方便等特点 。 2.数控刀架种类 数控转塔刀架是数控车床上的核心功能部件之一，其分类如图2.1所示： 数控刀架 非动力刀架 动力刀架 电动刀架 液压刀架 伺服刀架 双动力刀架 单动力刀架 复合型刀架 直驱刀架 径向双动力 轴向双动力 径向单动力 轴向单动力 皇冠型单动力 Y轴单动力刀架 B轴单动力刀架 Y轴轴向单动力 Y轴径向单动力 Y轴皇冠型刀架 图2.1 数控刀架分类 2.1非动力刀架 非动力刀架一般根据驱动方式分为： 普通电机驱动的电动刀架; 液压马达驱动的液压刀架; 伺服电机驱动的伺服刀架; 力矩电机直接驱动的直驱刀架。 电动刀架是数控机床进行换刀的实现机构，实现刀架上刀盘的转动和刀盘的初定位、定位与夹紧的运动，以实现刀具的自动转换，具有传动机械结构、电气正反转控制、PLC编程控制等功能。常见的电动刀架中具有典型的结构有TND360 刀架和LDB4刀架，这两种刀架采用了不同的传动升降结构，不同定位控制；但都实现了刀盘的正向换刀和反向锁紧，刀盘的圆周定位功能。 图2.2 LDB4电动刀架 液压刀架是集机、电、液于一体的主要机床附件，已广泛应用于各类中高档数控车床。动力驱动是由液压旋转马达和液压伸缩缸来完成，而位置控制是由光电编码器系统和机械定位副齿牙盘来控制。液压刀架换刀动作包括松开、分度、预定位、精定位、夹紧五个主要动作。 图2.3 液压刀架 由于伺服刀架的出现，使伺服刀架本体上加装动力模块的动力刀架也应运而生，这种双伺服的动力刀架主要配置在中端的车削中心上，动力刀架的转位和动力刀具的驱动采用的都是伺服电机，因而结构上有进一步整合和发展的空间。1990年代，出现了单伺服动力刀架产品，这种动力刀架主要搭配在各种高端的车削中心和车铣复合加工中心上，其结构复杂，技术含量高。 图2.4 非动力伺服刀架 伺服电动刀架主要用于高档数控机床，其机械结构简单，刚性好，锁紧迅速可靠。系统由刀架控制器、伺服电机、减速器、液压锁紧系统等构成，可完成刀盘的转位、转速、初定位、精定位动作和锁紧及选刀控制等动作。 2.2.2动力刀架的用途 伴随加工件的日益复杂化、精度等级以及加工效率的进步，多轴向、高转速成为工具机必备的条件，除了加工中心机走向机能复合化外，车床方面已由早期的卧式车床开发出许多新的加工型态，例如双刀塔、立式车床、倒立车床、以及车铣概念机种，以顺应新时代加工方式的需求。 其中车铣概念复合机无疑是一项新技术结合的工具机杰作，最大的优点在于可轻易地在同一机台上做复杂零件的加工，车铣复合机可同时进行车削( Turning )、钻孔( Drilling )、攻牙( Thread Cutting )、端面切槽( Slot Cutting )、侧面切槽( Keyway Cutting )、侧面铣削( Face Cutting )、角度钻孔( C-axis Angle Drilling )、曲线铣削( Cam Cutting )….等等。即由一台工具机即可完成一个零件的所有加工流程，大大降低上下料换机台加工的时间，以及减少人为公差的机会，达到“Do In One”的加工概念（如图2.5）。 2.2动力刀架 2.2.1动力刀架含义： 具有刀具传动装置的刀架一般称为动力刀架。比如，在转塔（回轮）刀架上装有回转刀具时，转塔（回轮）刀架就兼有钻、铣等功能。 动力刀架钻孔、攻螺纹 动力刀架角度钻孔、铣削曲面 动力刀架铣侧平面 Do In One 在新世代车铣复合机中，不论是具分度的C轴头部、副主轴、Y轴等，都必须搭配动力刀塔才能具备车铣复合的功能，因此一座功能性佳、精度高的C轴动力刀塔，将使新世代车铣复合机更臻完善。 动力刀架铣削槽口 图2.5车铣概念复合机功能 （1）动力刀架是根据动力刀和刀盘换刀是否用同一个动力源将动力刀架分为： 图2.6 单伺服动力刀架 图2.7双伺服动力刀架 单伺服刀架（图2.6） 双伺服刀架（图2.7） 2.2.3动力刀架分类 （2）动力刀架又根据动力刀与刀架轴线的角度分为： 轴向伺服刀架（其刀盘如图2.8） 径向伺服刀架（其刀盘如图2.8） 皇冠型伺服刀架（如图2.8） 圆型轴向刀盘 多角型径向刀盘 皇冠型刀架 图2.8 图2.9 Y轴动力刀架 图2.10 B轴动力刀架 （3）动力刀架上动力刀的进给一般是依赖于刀架的进给系统，为提高动力刀的加工范围部分动力刀架增加Y轴和B轴，形成Y轴动力刀架（如图2.9）和B轴动力刀架（如图2.10）。 （4）刀架锁紧方式 刀架的锁紧方式直接影响到刀加的精度以及切削时的刚性，主要可分为 双联齿盘方式 三联齿盘方式（如图2.11） 目前C轴动力刀塔皆属三联齿盘式的结构，虽然三片式的刚性较两片式略差，但是三片式构造的防水性与防屑性均佳，且刀盘只需作旋转而不需作推出的动作，有利于换刀时间的缩短与伺服动力刀塔之设计 图2.11 迪普马刀架 3.动力刀架结构 目前较大的刀塔制造商皆属欧系公司，如Sauter (德国)、Duplomatic (意大利)、Baruffaldi (意大利)等，在刀塔设计开发上大多遵循所谓的德式快换刀座( VDI Toolholder System )规范，因此在VDI规范占有较大的市占有率下，其后较小型的刀塔制造商以及工具机厂所自行研发的动力刀塔也都会依循此规范。 3.1三联齿盘式转塔动力刀架结构分析 三联齿盘式转塔动力刀架主要采用如图3.1所示的刀架结构，包括定齿盘、动齿盘、锁紧齿盘、活塞、导向销、主轴、传动齿轮和伺服电机等。其中，动齿盘安装在主轴上，定齿盘安装在箱体上，锁紧齿盘安装在动齿盘和定齿盘的对侧，构成三联齿盘，活塞与锁紧齿盘安装在一起，并通过导向销与油腔端盖相连。当需要转位时，前油腔通入液压油，在活塞的作用下锁紧齿盘与动、定齿盘分离，伺服电机通过齿轮1、2、3和大齿轮的传动，主轴旋转，使刀架转位，转位到位后由伺服电机停止转动并锁紧，实现初定位；初定位后，后油腔通入液压油，在活塞的作用下锁紧齿盘与动、定齿盘啮合，实现精定位。 3.1.1三联齿盘式转塔动力刀架结构 图3.1 三联齿盘式转塔动力刀架结构示意图 3.1.2三联齿盘式转塔动力刀架优缺点 优点： 锁紧齿盘质量小，滑移速度快，且冲击小。 缺点： 齿盘间装配间隙和误差难调整 安装三联齿盘时，动齿盘与定齿盘之间难免有装配误差，动齿盘和定齿盘产生轴向错位：如果锁紧齿盘与定齿盘紧密结合则不能与动齿盘紧密结合，如图3.2所示；如果锁紧齿盘与动齿盘紧密结合则无法与定齿盘紧密结合，如图3.3所示。如此造成三联齿盘的接触面的刚度降低，刀架的重复定位精度减小，甚至发生“吃刀”现象。 其中：111为动齿盘，112为定齿盘，113为锁紧齿盘。 图3.2 图3.3 3.1.3技术改进 对于这种情况，在不改进刀架结构的前提下，可以对加工及装配工艺加以改进，加工过程中严格保证安装面的精度要求；装配过程中，对于误差大的零件的安装表面进行刮研处理，已达到合理的装配误差。 3.2皇冠型转塔动力刀架结构分析 3.2.1德国Sauter的皇冠型动力刀架，其结构图如图3.4、3.5所示 图3.4 皇冠型动力刀架 此种刀架主要用于专用机床上，并且只能安装动力刀，由于刀架的换刀过程中涉及到面齿轮，目前我国还无法加工，因此这种刀架基本都是从外国进口，且价格昂贵。 图3.5 皇冠型动力刀架结构简图 3.2.2为了改进刀架的传动以及换刀方式，美国专利提出了自己的结构方案，如图3.6 图3.6 皇冠型刀具连续旋转动力伺服转塔刀架结构图 图3.7 分度机构 图3.8 定位机构 分度机构及定位机构 优点及不足 优点： 换刀迅速 摩擦小 不足： 功率利用率低 定位方式刚度低 图3.9 改进与优化 由于此种刀架的结构上导致刀架刚度低，精度差，因此无法在制造机装配上进行技术改进，但此种刀架的设计思路给了我们很大的启发。 根据这种刀架的结构思路： 在其动力传递方式上，增加过渡轮机构，使其只有在工位上的刀具才能转动，提高刀架的功率利用率； 在定位方式上采用双联齿盘的定位方式，提高刀架的定位刚度和精度。 图3.10 结构改进与优化 4.结束语 伴随加工件的日益复杂化、精度等级以及加工效率的进步，多轴向、高转速成为工具机必备的条件，除了加工中心机走向机能复合化外，车床方面已由早期的卧式车床开发出许多新的加工型态，例如双刀塔、立式车床、倒立车床、以及车铣概念机种，以顺应新时代加工方式的需求。其中车铣概念复合机无疑是一项新技术结合的工具机杰作，最大的优点在于可轻易地在同一机台上做复杂零件的加工，车铣复合机可同时进行车削、钻孔、攻牙、端面切槽、侧面切槽、侧面铣削、角度钻孔、曲线铣削等等。即由一台工具机即可完成一个零件的所有加工流程，大大降低上下料换机台加工的时间，以及减少人为公差的机会，达到“Do In One”的加工概念。 在新世代车铣复合机中，不论是具分度的C轴头部、副主轴、Y轴等，都必须搭配动力刀塔才能具备车铣复合的功能，因此一座功能性佳、精度高的C轴动力刀塔，将使新世代车铣复合机更臻完善。 *

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