加工中心换刀臂的设计与数控加工工艺分析
【摘 要】数控加工中心的换刀臂是实现加工中心自动换刀的执行部件。换刀臂可以抓取并更换刀具，在结构上有两个机械爪及多个不同尺寸的孔，形状较为复杂，尺寸精度要求较高。所以，加工中心换刀臂的设计、加工工艺的研究以及数控加工程序的编写都是换刀臂零件生产中非常关键的步骤。本论文主要以加工中心换刀臂作为分析的对象首先，通过查阅相关资料对加工中心换刀臂进行了独立的设计；其次，通过对所设计图纸的分析，确定零件的形状及各尺寸精度要求；再次，通过分析零件的结构特征，选择所需要使用到的加工设备，确定所要使用的刀具和装夹方案，并选择合理的切削用量，制定合理的加工工艺，编写符合加工要求的数控加工程序；最后，对在加工加工中心换刀臂的过程中所遇到的一些问题进行深入分析，制定合理的解决方案。
目 录
引 言 1
一、加工中心换刀臂功能分析与设计过程 2
（一）换刀臂应用场合 2
（二）功能分析 4
（三）设计过程 4
（四）外形结构分析 12
二、加工工艺分析 13
（一）工件选材 13
（二）加工设备的选用 13
（三）夹具的选用 15
（四）刀具的选用 15
（五）加工工艺过程 16
（六）切削用量的选用 17
三、加工中心换刀臂零件的加工过程 19
四、数控程序编写 20
五、加工中所遇到的问题及其优化措施 24
总 结 26
参考文献 27
谢辞 28
引 言
加工中心是一种用来加工复杂零件，具有自动换刀装置的新型高精度自动化机床。只需要一次装夹就能完成车、铣、镗、钻等多种不同的加工要求。能完成这种复杂加工要求的关键就在于自动换刀装置，自动换刀装置存在多种不同的类型与型号，但它们的主要组成部分都不尽相同，主要包括刀库、换刀臂及驱动装置等。
换刀臂是在现代机械化背景下，为满足日益上升的自动化生产需求而慢慢发展起来的一种新型机械装置。机械换刀臂被广泛应用于各种数控加工机床中，提高了机床的生产效率的同时也大大的减少了的人工成本，虽然目前灵活度方面还不及人手，但具有能
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不断重复工作和劳动，不会累，不怕危险，力量大等优点。因此，换刀臂的研发受到各个国家的重视，并越来越广泛的被应用在需要它们的生产工程中。数控加工中心机床换刀臂就是其中的一种，它被广泛应用于加工中心的自动换刀。在现代，随着装备制造业的快速发展，加工中心等高档数控机床的需求量日益增长，作为加工中心自动换刀装置（ATC）的关键功能部件之一的自动换刀臂也就成为了重点研究对象。
本论文主要以典型的加工中心机械换刀臂零件为研究对象，对换刀臂的结构、设计方法和加工工艺进行分析，内容包括了零件图纸的设计、零件结构工艺分析、数控加工设备的选择、加工零件所需刀具及夹具的选择、加工时所要使用的切削用量的选用、机械换刀臂零件的数控加工程序以及加工过程中所遇到一些问题及解决方法等。
一、加工中心换刀臂功能分析与设计过程
（一）换刀臂应用场合
一个零件从毛坯到成为一个合格的零件有可能要经过许多个不同的加工工序，会用到好多把不同尺寸，不同功能的刀具，而这个数量甚至会突破百把，所以普通的数控机床已经不能满足日渐上升的加工需求。为了满足减少非加工时间，提高生产效率的需求，带有自动换刀装置（Automatic Tool Changer）的加工中心被设计制造了出来。
加工中心换刀臂是自动换刀装置的组成部分之一，它被应用于抓取存储于刀库中的刀具并将其安装到主轴上以及将使用完的刀具拆卸并送返至刀库中，实现刀具更换，能大大节省不必要的非加工时间，提高生产效率。被广泛应用在各类加工中心上。如立式加工中心（图11）、卧式加工中心（图12）以及龙门式加工中心（图13）。
图11立式加工中心
图12卧式加工中心
图13 龙门式加工中心
换刀臂的类型多种多样，常见的几种类型有：
1.单臂单爪回转式换刀臂（图14图a）：这种换刀臂拥有一条手臂和一个用来抓取刀具的机械爪，它可以通过转动多个角度实现刀具的更换。但是，刀具的拆卸、送回、取出、装夹均由同一个夹爪完成，所以换刀所需时间较长。
2.单臂双爪摆动式换刀臂（图14图b）：这种换刀臂拥有一条手臂和两个用来抓取刀具的夹爪，两个夹爪分别负责已使用刀具的拆卸、送返与新刀具的取出与安装。这种换刀臂完成换刀所需要的时间相较于单臂单爪有所提升。
3.单臂双爪回转式换刀臂（图14图c）：这种换刀臂拥有一条手臂和两个用来抓取刀具的机械爪，单这两个机械爪不同于单臂双爪摆动式换刀臂，分别位于手臂的两端。它可以实现同时抓取新刀具和拆卸已使用刀具，进行180度的回转后，就可实现同时安装新刀具与将已使用的刀具送回刀库中。这种换刀臂相较于上面两种，换刀用时最短，使用最广泛。
图14 几种换刀臂的形式
（二）功能分析
在这个数字化的时代，随着数字控制技术的不断发展，能实现自动换刀的加工中心在当代机械制造行业中得到越来越多的重视，加工中心换刀臂被应用于加工中心自动换刀装置中。
换刀臂的主要功能是实现将存放在刀库中的刀具及安装在主轴上的刀具的自动储备及交换。
在接收到换刀指令后，换刀臂将安装在主轴上的已经使用过的刀具拆卸下来，并送往刀库中系统安排的安放位置，同时从刀库中取出接下来加工所需要使用到的刀具，将它送往并安装在主轴上，实现刀具的自动储备及交换，它能大大缩短换刀时间，提高生产效率，降低生产所需的成本，提高生产能力，是加工中心不可或缺的一部分。
对于换刀臂零件，需要它能够准确的运行到所需位置，实现刀具的拆卸与安装，并将刀具准确的送回到刀库中的安放位置。因此，有几项精度要求较为关键：
旋转中心相对卡爪半圆孔中心的中心距。
② 安装中心孔相对于安装基准面的位置精度。
③ 卡爪自身的形状精度。
④ 刀柄保持架安装孔的尺寸和位置精度。
⑤ 其他附属元件安装面的尺寸与位置精度。
（三）设计过程
在参考各种加工中心换刀臂的结构特点、设计理念后，本人自行设计出一款单臂双爪型的回转式加工中心换刀臂。具体设计步骤包括：功能设计→外形设计→尺寸设计→精度设计→材料设计。
1. 功能设计
本阶段主要考虑到换刀臂要实现的主要功能，也即抓取存储于刀库中的刀具并将其安装到主轴上，并将使用完的刀具拆卸并送返至刀库中，实现刀具更换，节省不必要的非加工时间，提高生产效率。在此基础上构思换刀臂的基本形状。
2. 外形设计
目 录
引 言 1
一、加工中心换刀臂功能分析与设计过程 2
（一）换刀臂应用场合 2
（二）功能分析 4
（三）设计过程 4
（四）外形结构分析 12
二、加工工艺分析 13
（一）工件选材 13
（二）加工设备的选用 13
（三）夹具的选用 15
（四）刀具的选用 15
（五）加工工艺过程 16
（六）切削用量的选用 17
三、加工中心换刀臂零件的加工过程 19
四、数控程序编写 20
五、加工中所遇到的问题及其优化措施 24
总 结 26
参考文献 27
谢辞 28
引 言
加工中心是一种用来加工复杂零件，具有自动换刀装置的新型高精度自动化机床。只需要一次装夹就能完成车、铣、镗、钻等多种不同的加工要求。能完成这种复杂加工要求的关键就在于自动换刀装置，自动换刀装置存在多种不同的类型与型号，但它们的主要组成部分都不尽相同，主要包括刀库、换刀臂及驱动装置等。
换刀臂是在现代机械化背景下，为满足日益上升的自动化生产需求而慢慢发展起来的一种新型机械装置。机械换刀臂被广泛应用于各种数控加工机床中，提高了机床的生产效率的同时也大大的减少了的人工成本，虽然目前灵活度方面还不及人手，但具有能
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
不断重复工作和劳动，不会累，不怕危险，力量大等优点。因此，换刀臂的研发受到各个国家的重视，并越来越广泛的被应用在需要它们的生产工程中。数控加工中心机床换刀臂就是其中的一种，它被广泛应用于加工中心的自动换刀。在现代，随着装备制造业的快速发展，加工中心等高档数控机床的需求量日益增长，作为加工中心自动换刀装置（ATC）的关键功能部件之一的自动换刀臂也就成为了重点研究对象。
本论文主要以典型的加工中心机械换刀臂零件为研究对象，对换刀臂的结构、设计方法和加工工艺进行分析，内容包括了零件图纸的设计、零件结构工艺分析、数控加工设备的选择、加工零件所需刀具及夹具的选择、加工时所要使用的切削用量的选用、机械换刀臂零件的数控加工程序以及加工过程中所遇到一些问题及解决方法等。
一、加工中心换刀臂功能分析与设计过程
（一）换刀臂应用场合
一个零件从毛坯到成为一个合格的零件有可能要经过许多个不同的加工工序，会用到好多把不同尺寸，不同功能的刀具，而这个数量甚至会突破百把，所以普通的数控机床已经不能满足日渐上升的加工需求。为了满足减少非加工时间，提高生产效率的需求，带有自动换刀装置（Automatic Tool Changer）的加工中心被设计制造了出来。
加工中心换刀臂是自动换刀装置的组成部分之一，它被应用于抓取存储于刀库中的刀具并将其安装到主轴上以及将使用完的刀具拆卸并送返至刀库中，实现刀具更换，能大大节省不必要的非加工时间，提高生产效率。被广泛应用在各类加工中心上。如立式加工中心（图11）、卧式加工中心（图12）以及龙门式加工中心（图13）。
图11立式加工中心
图12卧式加工中心
图13 龙门式加工中心
换刀臂的类型多种多样，常见的几种类型有：
1.单臂单爪回转式换刀臂（图14图a）：这种换刀臂拥有一条手臂和一个用来抓取刀具的机械爪，它可以通过转动多个角度实现刀具的更换。但是，刀具的拆卸、送回、取出、装夹均由同一个夹爪完成，所以换刀所需时间较长。
2.单臂双爪摆动式换刀臂（图14图b）：这种换刀臂拥有一条手臂和两个用来抓取刀具的夹爪，两个夹爪分别负责已使用刀具的拆卸、送返与新刀具的取出与安装。这种换刀臂完成换刀所需要的时间相较于单臂单爪有所提升。
3.单臂双爪回转式换刀臂（图14图c）：这种换刀臂拥有一条手臂和两个用来抓取刀具的机械爪，单这两个机械爪不同于单臂双爪摆动式换刀臂，分别位于手臂的两端。它可以实现同时抓取新刀具和拆卸已使用刀具，进行180度的回转后，就可实现同时安装新刀具与将已使用的刀具送回刀库中。这种换刀臂相较于上面两种，换刀用时最短，使用最广泛。
图14 几种换刀臂的形式
（二）功能分析
在这个数字化的时代，随着数字控制技术的不断发展，能实现自动换刀的加工中心在当代机械制造行业中得到越来越多的重视，加工中心换刀臂被应用于加工中心自动换刀装置中。
换刀臂的主要功能是实现将存放在刀库中的刀具及安装在主轴上的刀具的自动储备及交换。
在接收到换刀指令后，换刀臂将安装在主轴上的已经使用过的刀具拆卸下来，并送往刀库中系统安排的安放位置，同时从刀库中取出接下来加工所需要使用到的刀具，将它送往并安装在主轴上，实现刀具的自动储备及交换，它能大大缩短换刀时间，提高生产效率，降低生产所需的成本，提高生产能力，是加工中心不可或缺的一部分。
对于换刀臂零件，需要它能够准确的运行到所需位置，实现刀具的拆卸与安装，并将刀具准确的送回到刀库中的安放位置。因此，有几项精度要求较为关键：
旋转中心相对卡爪半圆孔中心的中心距。
② 安装中心孔相对于安装基准面的位置精度。
③ 卡爪自身的形状精度。
④ 刀柄保持架安装孔的尺寸和位置精度。
⑤ 其他附属元件安装面的尺寸与位置精度。
（三）设计过程
在参考各种加工中心换刀臂的结构特点、设计理念后，本人自行设计出一款单臂双爪型的回转式加工中心换刀臂。具体设计步骤包括：功能设计→外形设计→尺寸设计→精度设计→材料设计。
1. 功能设计
本阶段主要考虑到换刀臂要实现的主要功能，也即抓取存储于刀库中的刀具并将其安装到主轴上，并将使用完的刀具拆卸并送返至刀库中，实现刀具更换，节省不必要的非加工时间，提高生产效率。在此基础上构思换刀臂的基本形状。
2. 外形设计
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