数控机床⼑具的选择
第⼆章数控机床⼑具的选择
机械加⼯⾃动化⽣产可分为以⾃动⽣产线为代表的刚性专⽤化⾃动⽣产和以数控机床为主的柔性通⽤化⾃动⽣产。就⼑具⽽⾔，在刚性专⽤化⾃动⽣产中，是以提⾼⼑具专⽤复合化程度来获得最佳经济效益的。⽽在柔性⾃动化⽣产中，为适应随机多变加⼯零件的需求，尽可能通过提⾼⼑具及其⼯具系统的标准化、系列化和模块化程度来获得最佳经济效益。
本章简述对数控⼑具的特殊要求：车削类、镗铣类数控⼑具系统；⼑具预调、磨损与破损的⾃动监测。
2.1 对数控⼑具的要求
⼑具的选择是数控加⼯⼯艺中的重要内容之⼀，它不仅影响机床的加上效率，⽽是直接影响加上质量。编程时，选择⼑具通常要考虑机床的加⼯能⼒、⼯序内容、⼯件材料等多⽅⾯的因素。以数控机床为主的柔性⾃动化加⼯是按预先编好的程序指令⾃动地进⾏加⼯。应适应加⼯品种多、批量⼩的要求，⼑具除应具备普通机床⽤⼑具应有的性能外，还应满⾜下列要求：
1）⼑具切削性能应稳定可靠，避免⼑具过早地损坏，⽽造成频繁地停机。由于⼑具和⼯件材料性能的分散性，以及⼑具制造⼯艺和⼯作条件控制不⾔，有相当⼀部分⼑具的切削性能远低于平均性能，使⼑具
切削性能稳定可靠性差。因此必须严格控制⼑具材料的质量，严格贯彻⼑具制造⼯艺，特别是热处理和刃磨⼯序。严格检查⼑具质量，确保⼑具切削性能稳定可靠。2）⼑具寿命应有较⾼的寿命。应选⽤切削性能好、耐磨性⾼的涂层⼑⽚以及合理地选择切削⽤量。
3）保证可靠地断屑、卷屑和排屑。加⼯时，应不产⽣紊乱的带状切屑，缠绕在⼑具、⼯件上；不易断屑的⼑具应保证切屑顺利的卷曲和排出；避免形成细碎的切屑；精加⼯是切屑不划伤已加⼯表⾯；切屑流出时不妨碍切削液浇注。为了确保可靠地断屑、卷屑和排屑，可采取⼀下措施：合理选⽤可转位⼑⽚的断屑槽槽形；合理地调整切削⽤量；在⼑体中设置切削液通道，将切削液直接输送⾄切削区，有助于清除切屑；利⽤⾼压切削液强迫断屑。
4）能快速地换⼑或⾃动换⼑。
5）能迅速、精确地调整⼑具尺⼨。
6）必须从数控加⼯特点出发来制定数控⼑具的标准化、系列化和通⽤化结构体系。数控⼯具系统应是⼀种模块式、层次化可分级更换、组合的体系。
7）对于⼑具及其⼯具系统的信息，应建⽴完整的数据库及其管理系统。
8）应有完善的⼑具组装、预调、编码标识与识别系统。
9）应建⽴切削数据库，以便合理利⽤机床与⼑具。
2.2 ⼑具快换、⾃动更换和尺⼨预调
2.2.1⼑具快换或⾃动更换
1、⼑⽚转位或更换⼑⽚
为了减少换⼑时间，数控机床加⼯时⼀般都使⽤可转位⼑具。⼑具磨损后只需将⼑⽚转位或更换新⼑⽚就可继续切削。它的换⼑精度决定与⼑⽚精度和定位精度。⽬前中等精度⼑⽚适⽤于粗加⼯，精密级⼑⽚只适⽤于半精加⼯。在精加⼯时仍需尺⼨调整。
2、更换⼑头模块
⽣产中正在推⼴使⽤模块式车削类⼯具系统。它具有能完成车、镗、切断、攻螺纹和检测等⼑头模块。⼑头模块通过中⼼拉杆来实现快速夹紧或松开。在拉紧时，能使拉紧孔产⽣微⼩弹性变形⽽获得很⾼的精度和刚度，其径向、轴向精度分别为±2um 和±5um，⾃动换⼑时间为2s。
3、更换⼑夹
⼑具与⼑夹⼀起从数控车床上取下。⼑⽚转位或更换后，在调⼑仪上进⾏调⼑。它的特点是可使⽤较低精度的⼑⽚和⼑杆，但⼑夹精度要求较⾼。
车刀种类4、⼿动更换⼑柄
在数控铣床上需连续对⼯件进⾏钻、铰、镗、铣、攻螺纹等加⼯。此时，将各种⼑具分别装在⼑柄上，并在调⼑仪上调整相应尺⼨。加⼯时根据加⼯顺序连续⼿动更换⼑柄。调⼑时的安装基准和⼑具在机床上的安装基准⼀致，均为7：24锥柄，可减少安装误差。
5、⾃动换⼑
图为带转塔⼑架的加⼯中⼼。转塔⼑架上配制了加⼯零件所需的⼑具。加⼯时按加⼯指令转塔⼑架转过⼀个或⼏个位置来进⾏⾃动换⼑。换⼑动作减少，换⼑速度较快。如图所⽰，在加⼯中⼼的⼑库中存储着加⼯所需的⼑具。按指令，使机床和⼑库的运动互相配合来实现⾃动换⼑，也可通过机械⼿实现⾃动换⼑，其过程如图所⽰，在⽣产批量⼤的柔性制造系统（FMS）中，为了提⾼⽣产率，还可采⽤更换机床主轴箱来⾃动换⼑。
2.2.2数控⼑具尺⼨预调
为了确保⼑具快换后不经试切切就可获得合格的⼯件尺⼨，数控⼑具都在机外预先调整到预定的尺⼨。
1、数控⼑具尺⼨的预调⽅法
⼑具的轴向和径向尺⼨的调整⽅法可根据⼑具结构及其所配置⼯具系统。
2、数控⼑具尺⼨预调仪
数控⼑具尺⼨预调包括：轴向和径向尺⼨、⾓度等调整和测量。以前⽤通⽤量具和夹具组成的预调装置来预调，其精度差⼜费时，⽬前已被性能完善的专⽤预调仪所取代。它具有下列特点：
1）能对静⽌和回转的⼑具⾃动检测。
2）对长度、⾓度和半径尺⼨的测量精度⾼。分辨率为0.5um；重复精度为±2um；
分度台定位精度为±0.01。
3）能确定回转型⼑具的偏⼼和跳动误差。
4）能⾃动对焦、可实现⾃动标定循环。
5）配有⼑具信息编码的集成读数头。
2.3 数控⼑具的⼯具系统
数控⼑具的⼯具系统是指⽤来联接机床主轴与⼑具之间的辅助系统。它除了⼑具本⾝之外，还包括实现⼑具快换所必须的定位、夹持、拉紧、动⼒传递和⼑具保护等部分。在柔性⾃动化⽣产中，使⽤⼑具种类多，要求换⼑迅速。为此，通过标准化、系列化和模块化来提⾼其通⽤化程度，且也便于⼑具组装、预调、使⽤、管理以及数据管理。因此研究⽤较少种类的⼑具满⾜多种⼯件的加⼯需求，建⽴包括⼑具、⼑夹、⼑杆和⼑座等⼯具结构体系，是数控加⼯基础。为此不少国家和公司都已制定出⾃⼰的标准和体系。
数控⼑具的⼯具系统按使⽤范围可分为镗铣类数控⼯具系统和车削类数控⼯具系统；按系统的结构特点可分为整体式⼯具系统和模块式⼯具系统。
2.3.1车削类数控⼯具系统
车削类数控⼯具系统的构成和结构⼀般与下列因素有关。
1.机床⼑架的形式
由于机床⼑架形式不同，⼑具与机床⼑架之间⼑夹、⼑座也就不同。
2.⼑具类型
⼑具类型不同，所需的⼑夹就不同。例如定尺⼨的钻头和铰⼑与⾮定尺⼨的车⼑等的⼑夹就不同。
3.⼯具系统中动⼒驱动
有动⼒驱动⼑夹与⽆动⼒驱动⼑夹的结构显然不同，例如图所⽰为动⼒驱动的钻夹头。
我国⼤多数数控车床上所使⽤车⼑，除采⽤可转位车⼑的⽐率和可转位车⼑⼑体、⼑⽚的精度略⾼外，与卧式车床上使⽤的车⼑区别不⼤。因此⾄今未能形成我国的车削类⼯具系统。现介绍⽬前在我国已较为普及、在国际上被⼴泛采⽤的⼀种整体式车削⼯具系统。按照国内⾏业命名⽅法，可称为CZG车削⼯具系统，它等同于德国标准DIN69880。
CZG车削⼯具系统与数控车床⼑架联结的柄部是由⼀个有与其轴线垂直的齿条的圆柱和法兰组成。在数控车床的⼑架上，安装⼑夹柄部圆柱孔的侧⾯，设有⼀个有螺栓带动的可移动楔形齿条，该齿条与⼑夹柄部上的齿条相啮合，并有⼀定错位，由于存在这个错位，当旋转螺栓，楔形齿条径向压紧⼑夹柄部的同时，使柄部的法兰紧密的贴紧在⼑架的定位⾯上，并产⽣⾜够的拉紧⼒。
2.3.2 数控车⼑的类型与选择
车床主要⽤于回转表⾯的加⼯，如内外圆柱⾯、圆锥棉、圆弧⾯、螺纹等切削加⼯。如图所⽰为常⽤车⼑的种类、形状和⽤途。
图2-1车⼑的分类与⽤途
1- 45o端⾯车⼑；2-90o外圆车⼑；外螺纹车⼑；
4-70o外圆车⼑；5-成型车⼑；6-90o左切外圆车⼑；
7-切断、车槽车⼑；8内孔车槽车⼑；9-内螺纹车⼑
10o-95o内孔车⼑；11o-95o内孔车⼑；
1、尖形车⼑、圆弧形车⼑合成⾏车⼑
数控车削常⽤的车⼑⼀般分为3类，即尖形车⼑、圆弧形车⼑和成形车⼑。
（1）尖形车⼑
A 尖形车⼑的特征
以直线形切削刃为特征的车⼑⼀般称为尖形车⼑。这类车⼑的⼑尖（同时
也称其为⼑位点）由直线形的主、副切削刃构成，如90 内、外圆车⼑，左、右端⾯车⼑，切断（车槽）车⼑及⼑尖倒棱很⼩的各种外圆和内孔车⼑。⽤这类车⼑加⼯零件时，其零件的轮廓形状主要由⼀个独⽴的⼑尖或⼀条直线形主切削刃位移后得到。
B、尖形车⼑的⼏何参数选择
尖形车⼑的⼏何参数主要指车⼑的⼏何⾓度，可根据不同的加⼯对象进⾏选择。
在数控车削加⼯中，总希望能按照轮廓⼀⼑连续车削出所需要的外形，这时就要对⼑具进给路线及加⼯过程中可能出现的⼑具⼲涉等进⾏全⾯考虑，⼯件形⾯与车⼑的⼯作主偏⾓、副偏⾓应该认真核算
（2）圆弧形车⼑
A 圆弧形车⼑的特征
圆弧形车⼑是较为特殊的数控加⼯使⽤车⼑（如图所⽰）其特征是：构成主切削刃的⼑刃形状为⼀段圆度误差或轮廓度误差很⼩的圆弧；该圆弧刃每⼀点都是圆弧形车⼑的⼑尖。因此，⼑位点不在圆弧上，⽽在该圆弧的圆⼼上。
圆弧形车⼑可以⽤于车削内、外表⾯，特别适宜于车削各种光滑连接（凹形）的成形⾯。对于某些精度要求较⾼的凹去⾯的车削或⼤外圆弧⾯的批量车削，以及尖形车⼑所不能完成加⼯的过象限的圆弧⾯，宜选⽤圆弧形车⼑进⾏加⼯，圆弧形车⼑具有宽刃切削性能，能使精车余量保持均匀⽽改善切削性能，还能⼀⼑车出跨多个象限的圆弧⾯。
i.镗铣类数控⼑具系统
镗铣类数控⼯具系统采⽤7：24椎柄与机床联接。它具有不⾃锁、换⼑⽅便、