数控车床刀架系统：方刀、排刀、回转刀架原理及应用

数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率，在一定程度上，刀架的结构与性能体现了机床的设计和制造技术水平。随着数控车床的不断发展，刀架的结构形式也在不断翻新。

数控车床刀架系统与液压尾座

刀架是直接完成切削加工的执行部件，所以刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力；同时应保证刀具夹持的合理性和可靠性，以保证有较高的重复定位精度；此外还应满足换刀时间短、结构紧凑、安全可靠等条件。

按换刀方式，数控车床的刀架系统主要有排刀式刀架、方刀架和回转刀架等。

1．排刀式刀架

排刀式刀架一般用于小规格数控车床，它的结构形式为夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴反向排列在横向滑板上。刀具的典型布置方式如图3-11所示，这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较方便，可以根据具体工件的车削工艺要求任意组合各种不同用途的刀具，第一把刀完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴向移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。

图3-11　排刀式刀架布置方式

1—棒料送料装置；2—卡盘；3—切断刀架；4—工件；5—刀具；
6—附加主轴头；7—去毛刺和背面加工刀具；8—工件托料盘；
9—切向刀架；10—主轴箱

排刀式刀架动画

若使用如图3-12所示的快换台板实现成组刀具的机外预调，可使换刀时间大为缩短。另外，还可以安装各种不同用途的动力刀具来完成一些简单的钻、铣、攻丝等二次加工工序，以使机床在一次装夹中完成工件的全部或大部分工序，因此很多机床都采用了排刀式 刀架。

图3-12　快换台板

2．方刀架(www.xing528.com)

通常只有经济型数控车床才有方刀架，这种刀架是在普通车床四方刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通四方刀架一样：有四个刀位，能同时装夹四把不同功能的刀具，方刀架回转90°时，刀具变换一个刀位，但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制的。换刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、刀架定位和夹紧刀架。WZD4型刀架的具体结构如图3-13所示。

图3-13　数控车床方刀架结构简图

1—电动机；2—联轴器；3—蜗杆轴；4—蜗轮；5—刀架底座；6—粗定位盘；7—刀架体；8—球头销；
9—转位套；10—电刷座；11—发信体；12—螺母；13，14—电刷；15—粗定位销

该刀架可以安装四把不同的刀具，转位信号由加工程序指定。当换刀指令发出后，小型电动机1启动正转，通过平键套筒联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮4转动。蜗轮4的上部外圆柱加工有外螺纹，故又称该零件为蜗轮丝杠。刀架体7内孔加工有内螺纹，与蜗轮丝杠旋合。蜗轮丝杠内孔与刀架中心轴外圆是间隙配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠环绕中心轴旋转。当蜗轮开始转动时，在刀架底座5和刀架体7上的端面齿处在啮合状态，且蜗轮丝杠轴向固定，此时刀架体7抬起。当刀架体抬至一定距离后，端面齿脱开。转位套9用销钉与蜗轮丝杠连接，随蜗轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开时，转位套9正好转过160°（如图中A-A剖视所示），球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽中，带动刀架体转位。刀架体7转动时带着电刷座10转动，当转到程序指定的刀位号时，粗定位销15在弹簧的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷13、14接触导通，使电动机1反转，由于粗定位槽的限制，刀架体7不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体7和刀架底座5上的端面齿啮合，实现精确定位。电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，蜗杆轴3继续转动，随夹紧力增加，转矩不断增大，达到一定值时，在传感器的控制下，电动机1停止转动。译码装置由发信体11、电刷13、14组成，电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。当刀架定位出现过位或不到位时，可松开螺母12，调好发信体11与电刷14的相对位置。这种刀架在经济型数控车床及普通车床的数控化改造中得到广泛应用。

四方回转刀架原理

3．回转刀架

数控车床的自动回转刀架其转位换刀过程为：当接收到数控系统的换刀指令后，刀盘松开——刀盘旋转到指令要求的刀位——刀盘夹紧并发出转位结束信号。图3-14所示为MJ-50数控车床的回转刀架结构简图。

图3-14　MJ-50数控车床的回转刀架结构简图

1—凸轮；2—液压马达；4，5—齿轮；6—刀架主轴；7，12—球轴承；8—滚针轴承；
9—活塞；10，13—鼠牙盘；11—刀盘

如图3-14所示，该回转刀架的夹紧与松开、刀盘的转位均由液压系统驱动、PC顺序控制来实现。11是安装刀具的刀盘，它与刀架主轴轴6固定连接。当刀架主轴6带动刀盘旋转时，其上的鼠牙盘13和固定在刀架上的鼠牙盘10脱开，旋转到指定刀位后，刀盘的定位由鼠牙盘的啮合来完成。

活塞9支承在一对推力球轴承7和12及双列滚针轴承8上，它可以通过推力轴承带动刀架主轴移动。当接到换刀指令时，活塞9及轴6在压力油的推动下向左移动，使鼠牙盘13与10脱开，液压马达2启动带动平板共轭分度凸轮1转动，经齿轮5和齿轮4带动刀架主轴及刀盘旋转。刀盘旋转的准确位置，通过开关PRS1、PRS2、PRS3、PRS4的通断组合来检测确认。当刀盘旋转到指定的刀位后，接近开关PRS7通电，向数控系统发出信号，指令液压马达停转，这时压力油推动活塞9向右移动，使鼠牙盘10和13啮合，刀盘被定位夹紧。接近开关PRS6确认夹紧并向数控系统统发出信号，于是刀架的转位换刀循环完成。

在机床自动工作状态下，当指定换刀的刀号后，数控系统可以通过内部的运算判断，实现刀盘就近转位换刀，既刀盘可正传也可反转。但当手动操作机床时，从刀盘方向观察，只允许刀盘顺时针转动换刀。