專利名稱：具有超高切削線速度的多功能切削裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可實(shí)現(xiàn)超高切削線速度的多功能切削裝置，屬于金屬切削機(jī)床技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高速切削技術(shù)是目前機(jī)械加工領(lǐng)域中的最前沿技術(shù)。高速切削具有金屬切除率高于常規(guī)切削5-10倍、切削力比傳統(tǒng)切削低約30%，切削變形小、被加工表面有較低的切削熱、易于實(shí)現(xiàn)無振動切削、精加工成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著高速切削技術(shù)研究的不斷深入，對于實(shí)現(xiàn)更高的切削線速度具有越來越迫切的需求。目前，提高主軸轉(zhuǎn)速，加大回轉(zhuǎn)切削刀具或者回轉(zhuǎn)工件的有效切削直徑，是實(shí)現(xiàn)更高切削線速度的根本途徑。但是切削線速度的進(jìn)一步提高受限于高速電主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)、高速切削刀具結(jié)構(gòu)、高速切削刀柄系統(tǒng)、高速切削加工的安全防護(hù)與實(shí)時監(jiān)控技術(shù)等技術(shù)瓶頸的制約。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的難以進(jìn)一步提聞切削速度的問題，提供一種能夠大幅度提高切削線速度、實(shí)現(xiàn)多種切削功能的具有超高切削線速度的多功能切削裝置。本發(fā)明的具有超高切削線速度的多功能切削裝置，采用以下技術(shù)解決方案該切削裝置，包括第一電主軸、第一電主軸固定工作臺、第二電主軸、第二電主軸移動工作臺、車刀架、車刀架移動工作臺和底座；第一電主軸固定工作臺、第二電主軸移動工作臺和車刀架移動工作臺均設(shè)置在底座上，車刀架移動工作臺位于第一電主軸固定工作臺和第二電主軸移動工作臺的前方，第一電主軸固定安裝在第一電主軸固定工作臺上，第一電主軸上安裝有三爪卡盤；第二電主軸固定安裝在第二電主軸移動工作臺上，第二電主軸移動工作臺帶動第二電主軸縱向移動；第一電主軸和第二電主軸的軸線同軸且相對布置；車刀架移動工作臺上安裝有車刀架，車刀架移動工作臺帶動車刀架縱向和橫向移動；第二電主軸移動工作臺是通過X’方向滾動導(dǎo)軌安裝在底座上的，第二電主軸移動工作臺與X’方向滾動導(dǎo)軌之間設(shè)置有X’方向螺母絲杠移動機(jī)構(gòu)，X’方向螺母絲杠移動機(jī)構(gòu)帶動第二電主軸移動工作臺實(shí)現(xiàn)沿X’方向的縱向移動；車刀架移動工作臺通過相互獨(dú)立且相互垂直的X方向滾動導(dǎo)軌和Y方向滾動導(dǎo)軌安裝在底座上的，Y方向滾動導(dǎo)軌安裝在底座上，Y方向滾動導(dǎo)軌上安裝有Y方向移動座，X方向滾動導(dǎo)軌設(shè)置在Y方向移動座上且與Y方向滾動導(dǎo)軌垂直，車刀架移動工作臺安裝在X方向滾動導(dǎo)軌上；Y方向滾動導(dǎo)軌與Y方向移動座之間設(shè)有Y方向螺母絲杠移動機(jī)構(gòu)；X方向滾動導(dǎo)軌與車刀架移動工作臺之間設(shè)有X方向螺母絲桿移動機(jī)構(gòu)；Y方向螺母絲杠移動機(jī)構(gòu)和X方向螺母絲桿移動機(jī)構(gòu)帶動車刀架移動工作臺實(shí)現(xiàn)沿Y方向的橫向運(yùn)動和沿X方向的縱向移動。第一電主軸和第二電主軸的前端軸承處均安裝溫度監(jiān)測裝置，以實(shí)時監(jiān)測電主軸內(nèi)部的溫度變化。底座的外圍設(shè)置有安全防護(hù)罩，將各部件進(jìn)行全封閉保護(hù)。安全防護(hù)罩的前面設(shè)置有聯(lián)鎖防護(hù)門。上述切削裝置可以實(shí)現(xiàn)以下多種切削功能I.在第二電主軸上安裝單齒銑削刀具，利用第一電主軸帶動工件的轉(zhuǎn)動、和第二電主軸移動臺帶動銑削刀具的縱向移動第二電主軸帶動銑削刀具的轉(zhuǎn)動可以實(shí)現(xiàn)對工件的超高速端面銑削(飛銑)加工；
2.在第二電主軸上安裝鏜刀，利用第一電主軸帶動工件的轉(zhuǎn)動、第二電主軸移動臺的縱向移動和第二電主軸帶動鏜刀的轉(zhuǎn)動可以實(shí)現(xiàn)對工件內(nèi)孔的超高速鏜削加工；3.利用車刀架移動臺帶動車刀的縱向或橫向移動以及第一電主軸帶動工件的轉(zhuǎn)動可以實(shí)現(xiàn)對工件的超高速外圓車削或端面車削加工。本發(fā)明與現(xiàn)有機(jī)床的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置相比，將切削刀具與工件分別安裝在兩套同軸安裝的電主軸上，兩套電主軸的旋轉(zhuǎn)方向相反，使得銑刀或鏜刀和工件間的相對切削速度得到成倍提高，同時具有端面超高速銑削、內(nèi)圓面超高速鏜削以及外圓面超高速車削及端面車削等多種切削功能。


圖I為本發(fā)明具有超高切削線速度的多功能切削裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明切削裝置的進(jìn)給原理示意圖。圖3為本發(fā)明切削裝置的端面超高速銑削功能的切削原理示意圖。圖4為本發(fā)明切削裝置的內(nèi)圓面超高速鏜削功能的切削原理示意圖。圖5為本發(fā)明切削裝置的外圓面超高速車削功能的切削原理示意圖。圖中1、第一電主軸固定工作臺，2、第一電主軸，3、三爪卡盤，4、工件，5、車削刀片，6、銑削刀片，7、單齒銑削刀柄，8、第二電主軸，9、第二電主軸移動工作臺，10、溫度監(jiān)測裝置，11、車刀桿，12、車刀架，13、車刀架移動工作臺，14、報警指示燈，15、聯(lián)鎖防護(hù)門，16、安全防護(hù)罩，17、X’方向螺母絲杠移動機(jī)構(gòu)，18、X’方向驅(qū)動電機(jī)，19、X’方向滾動導(dǎo)軌，20、滾珠，21、Y方向驅(qū)動電機(jī)，22、Y方向螺母絲桿移動機(jī)構(gòu)，23、X方向螺母螺桿機(jī)構(gòu)，24、X方向驅(qū)動電機(jī)，25、Y方向移動座，26、X方向滾動導(dǎo)軌，27、Y方向滾動導(dǎo)軌，28、底座，29、鏜削刀具，30、鏜削刀柄；D1為工件4被切削部分外徑尺寸，單位_ ；H為工件4壁厚即被切削部分厚度，單位mm ；L為銑削刀片6的寬度，單位mm ；D2為銑削刀片6的有效切削直徑，單位mm ；R1為銑削刀片6在單齒銑削刀柄7上的安裝位置尺寸，單位mm。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的具有超高切削線速度的多功能切削裝置，其結(jié)構(gòu)如圖I所示，主要包括第一電主軸固定工作臺I、第一電主軸2、第二電主軸8、第二電主軸移動工作臺9、車刀架
12、車刀架移動工作臺13以及底座28。第一電主軸固定工作臺I、第二電主軸移動工作臺9和車刀架移動工作臺13均設(shè)置在底座28上。車刀架移動工作臺13位于第一電主軸固定工作臺I和第二電主軸移動工作臺9的前方。第一電主軸2固定安裝在第一電主軸固定工作臺I上，第一電主軸2的主軸上安裝有三爪卡盤3，工件4裝夾在三爪卡盤3上。第二電主軸8固定安裝在第二電主軸移動工作臺9上，第二電主軸8的主軸上可以安裝帶有銑削刀片6的單齒銑削刀柄7，也可以安裝鏜削刀具29 (參見圖4)，第二電主軸8帶動單齒銑削刀柄7或鏜削刀柄30作高速旋轉(zhuǎn)。第二電主軸移動工作臺9帶動第二電主軸縱向移動(即圖2中的X’軸方向)，實(shí)現(xiàn)安裝在第二電主軸8上的銑削刀具或鏜削刀具的進(jìn)刀、退刀和進(jìn)給運(yùn)動。第一電主軸2和第二電主軸8的軸線同軸，且相對布置。車刀架移動工作臺13上安裝有車刀架12，車刀架12上固定安裝有車刀桿11，車刀桿11上裝夾有車刀片5。車刀架移動工作臺13帶動車刀架12縱向和橫向移動(即圖2中的X軸方向和Y軸方向)，實(shí)現(xiàn)車刀架移動臺13帶動車刀架12，實(shí)現(xiàn)車削刀具的進(jìn)刀、退刀和進(jìn)給運(yùn)動。電主軸高速旋轉(zhuǎn)時，主軸軸承會因承受負(fù)載而溫升很快，軸承溫度過高時，會影響電主軸的精度和壽命，甚至可能造成軸承損壞，對機(jī)床操作者和機(jī)床造成嚴(yán)重后果。為防止這一現(xiàn)象，第一電主軸2和第二電主軸8的前端軸承處均安裝溫度監(jiān)測裝置10，以實(shí)時監(jiān)測 電主軸內(nèi)部的溫度變化。在整個裝置的控制程序中設(shè)置兩檔門檻限制值來對軸承的溫升進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)，當(dāng)監(jiān)測到的主軸軸承溫度達(dá)到第一限值(一般為65°C )時，給出提示信息，如黃色報警指示燈亮；當(dāng)軸承溫度達(dá)到75°C時，機(jī)床開始報警，同時電主軸停止旋轉(zhuǎn)，各坐標(biāo)停止運(yùn)動。如圖2所示，第二電主軸移動工作臺9是通過帶有滾珠20的X’方向滾動導(dǎo)軌19安裝在底座28上的，X’方向滾動導(dǎo)軌19安裝在底座28上，第二電主軸移動工作臺9安裝在X’方向滾動導(dǎo)軌19上。第二電主軸移動工作臺9與X’方向滾動導(dǎo)軌19之間設(shè)置有X’方向螺母絲杠移動機(jī)構(gòu)17，該機(jī)構(gòu)中的絲杠與X’方向驅(qū)動電機(jī)18連接，X’方向驅(qū)動電機(jī)18安裝在X’方向滾動導(dǎo)軌19的一端。X’方向驅(qū)動電機(jī)18帶動絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)，并通過X’方向螺母絲杠移動機(jī)構(gòu)17中的螺母帶動第二電主軸移動工作臺9沿X’方向滾動導(dǎo)軌19沿X’方向移動。滾動導(dǎo)軌具有磨擦系數(shù)小和動、靜磨擦系數(shù)之差較小的特點(diǎn)，故爬行現(xiàn)象比滑動導(dǎo)軌有所改善。為了實(shí)現(xiàn)車刀架移動工作臺13沿X、Y兩個方向的運(yùn)動，車刀架移動工作臺13具有X方向滾動導(dǎo)軌26和Y方向滾動導(dǎo)軌27兩個相互獨(dú)立且相互垂直的導(dǎo)向?qū)к?，Y方向滾動導(dǎo)軌27安裝在底座28上，Y方向滾動導(dǎo)軌27上安裝有Y方向移動座25，X方向滾動導(dǎo)軌26設(shè)置在Y方向移動座25上且與Y方向滾動導(dǎo)軌27垂直，車刀架移動工作臺13安裝在X方向滾動導(dǎo)軌26上。Y方向滾動導(dǎo)軌27與Y方向移動座25之間設(shè)有Y方向螺母絲杠移動機(jī)構(gòu)22，該機(jī)構(gòu)中的絲杠與Y方向驅(qū)動電機(jī)21連接，Y方向驅(qū)動電機(jī)21安裝在Y方向滾動導(dǎo)軌27的一端。Y方向驅(qū)動電機(jī)21帶動Y方向螺母絲杠移動機(jī)構(gòu)22中的絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使Y方向移動座25沿Y方向移動。X方向滾動導(dǎo)軌26與車刀架移動工作臺13設(shè)有X方向螺母絲桿移動機(jī)構(gòu)23，該機(jī)構(gòu)中的絲杠與X方向驅(qū)動電機(jī)24連接，X方向驅(qū)動電機(jī)24安裝在X方向滾動導(dǎo)軌26的一端，X方向驅(qū)動電機(jī)24帶動X方向螺母絲桿移動機(jī)構(gòu)23中的絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使車刀架移動工作臺13沿X方向移動。這樣，在Y方向螺母絲杠移動機(jī)構(gòu)22和X方向螺母絲桿移動機(jī)構(gòu)23的作用下實(shí)現(xiàn)了車刀架移動工作臺13沿X、Y兩個方向的運(yùn)動。
本發(fā)明的切削裝置具有主軸轉(zhuǎn)速高(超過50000r/min)和進(jìn)給速度大(為傳統(tǒng)的5 10倍)的特點(diǎn)，但由于刀具轉(zhuǎn)速高或重量大，如果刀具不匹配或動平衡精度不高，會造成較高的離心率，不但可能導(dǎo)致加工過程的不穩(wěn)定，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致刀具的彎曲、斷裂、解體，從而引起重大事故。因此在底座28的外圍設(shè)置有安全防護(hù)罩16，以將第一電主軸固定工作臺I、第二電主軸移動工作臺9和車刀架移動工作臺13及安裝在其上面的部件進(jìn)行全封閉保護(hù)，防止帶有高溫的切屑或損壞的刀具飛出，保護(hù)操作人員和裝置本身的安全；安全防護(hù)罩16上設(shè)有高強(qiáng)度透明材料制成的觀察窗，用于操作者在安全區(qū)域內(nèi)觀察切削裝置的運(yùn)行狀態(tài)。
安全防護(hù)罩16的前面設(shè)置有聯(lián)鎖防護(hù)門15，聯(lián)鎖防護(hù)門15兼有啟動電氣開關(guān)的作用，該門不拉上時，整個裝置將無法啟動；若門打開時，整個裝置立即停止運(yùn)行；在正常加工時聯(lián)鎖防護(hù)門15處于閉鎖狀態(tài)，禁止打開。聯(lián)鎖防護(hù)門15的開啟和關(guān)閉依靠程序控制，只有當(dāng)電主軸和各坐標(biāo)在停止?fàn)顟B(tài)下才被允許打開；當(dāng)聯(lián)鎖防護(hù)門15在開啟狀態(tài)時，操作者只能使用手持單元手動移動坐標(biāo)，電主軸禁止旋轉(zhuǎn)，加工程序也不允許執(zhí)行；當(dāng)操作者，違反這種設(shè)計規(guī)范時，將出現(xiàn)報警信號，同時禁止繼續(xù)操作，避免操作者由于誤操作或是其他因素造成事故傷害。安全防護(hù)罩16的前面一側(cè)設(shè)置有報警指示燈14，報警指示燈14與裝置的報警裝置相連，用于指示整個裝置的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)誤操作或電主軸內(nèi)部溫度過高等危險狀況出現(xiàn)，機(jī)床運(yùn)行異常時，紅色指示燈亮；運(yùn)行正常時綠色指示燈亮。上述切削裝置中，將銑削刀具或鏜削刀具和工件4分別安裝在兩套同軸安裝的電主軸上，兩套電主軸的旋轉(zhuǎn)方向相反，使得銑刀或鏜刀和工件間的相對切削速度得到成倍提高，巧妙簡單地實(shí)現(xiàn)了超高速切削，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。可按以下過程參考圖I和圖3計算出切削線速度Ii1為工件4的旋轉(zhuǎn)速度,單位m/min,n2為單齒統(tǒng)削刀柄7的旋轉(zhuǎn)速度,單位m/min ；D1為工件5被切削部分外徑尺寸，單位mm ；D2為銑削刀片6的有效切削直徑，單位mm 與n2的旋轉(zhuǎn)方向相反，從而使得切削刀具與回轉(zhuǎn)工件間的相對切削線速度大幅提高，則該相對切削線速度V。(單位m/min)可表示為
^ ^tiDm, +TdJ1Tl1Vc = ~—-—，
1000電主軸的高速旋轉(zhuǎn)要求與其相連接的切削功能部件(如單齒銑削刀柄2和工件5)的回轉(zhuǎn)不平衡量非常小。因此，與傳統(tǒng)切削線速度范圍內(nèi)的切削系統(tǒng)相比，具有超高切削線速度的切削功能部件必須經(jīng)過嚴(yán)格地回轉(zhuǎn)動平衡后方可使用?？紤]到切削工件相比于刀具系統(tǒng)更便于進(jìn)行動平衡，可以使工件4的旋轉(zhuǎn)速度Ii1適當(dāng)高于單齒銑削刀柄7的旋轉(zhuǎn)速度n2,即使第一電主軸的轉(zhuǎn)速適當(dāng)高于第二電主軸轉(zhuǎn)速。目前，電主軸最高轉(zhuǎn)速可超過55000r/min (功率和扭矩也要滿足要求)，選用最高轉(zhuǎn)速為42000r/min的電主軸作為本發(fā)明中的第一電主軸,選用最高轉(zhuǎn)速24000r/min的電主軸作為本發(fā)明中的第二電主軸，當(dāng)銑削刀片3的有效切削直徑為160_時，采用本發(fā)明的
端面超高速銑削功能，最高切削線速度可達(dá)到
F n T,*160 *(42000+ 24000) . .,.Vr =----mlmin = 33158.4w/min
c—max 1000為保證電主軸的工作壽命和負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)等因素，在切削過程采用80%或60%的最高電主軸轉(zhuǎn)速，則采用本發(fā)明的切削裝置的端面超高速銑削功能，最高切削線速度可表示為
權(quán)利要求
1.一種具有超高切削線速度的多功能切削裝置，包括第一電主軸、第一電主軸固定工作臺、第二電主軸、第二電主軸移動工作臺、車刀架、車刀架移動工作臺和底座；其特征是 第一電主軸固定工作臺、第二電主軸移動工作臺和車刀架移動工作臺均設(shè)置在底座上，車刀架移動工作臺位于第一電主軸固定工作臺和第二電主軸移動工作臺的前方，第一電主軸固定安裝在第一電主軸固定工作臺上，第一電主軸上安裝有三爪卡盤；第二電主軸固定安裝在第二電主軸移動工作臺上，第二電主軸移動工作臺帶動第二電主軸縱向移動；第一電主軸和第二電主軸的軸線同軸且相對布置；車刀架移動工作臺上安裝有車刀架，車刀架移動工作臺帶動車刀架縱向和橫向移動； 第二電主軸移動工作臺是通過X’方向滾動導(dǎo)軌安裝在底座上的，第二電主軸移動工作臺與X’方向滾動導(dǎo)軌之間設(shè)置有X’方向螺母絲杠移動機(jī)構(gòu)，X’方向螺母絲杠移動機(jī)構(gòu)帶動第二電主軸移動工作臺實(shí)現(xiàn)沿X’方向的縱向移動； 車刀架移動工作臺通過相互獨(dú)立且相互垂直的X方向滾動導(dǎo)軌和Y方向滾動導(dǎo)軌安裝在底座上的，Y方向滾動導(dǎo)軌安裝在底座上，Y方向滾動導(dǎo)軌上安裝有Y方向移動座，X方向滾動導(dǎo)軌設(shè)置在Y方向移動座上且與Y方向滾動導(dǎo)軌垂直，車刀架移動工作臺安裝在X方向滾動導(dǎo)軌上；Y方向滾動導(dǎo)軌與Y方向移動座之間設(shè)有Y方向螺母絲杠移動機(jī)構(gòu)；X方向滾動導(dǎo)軌與車刀架移動工作臺之間設(shè)有X方向螺母絲桿移動機(jī)構(gòu)；Y方向螺母絲杠移動機(jī)構(gòu)和X方向螺母絲桿移動機(jī)構(gòu)帶動車刀架移動工作臺實(shí)現(xiàn)沿Y方向的橫向運(yùn)動和沿X方向的縱向移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有超高切削線速度的多功能切削裝置，其特征是所述第一電主軸和第二電主軸的前端軸承處均安裝溫度監(jiān)測裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有超高切削線速度的多功能切削裝置，其特征是所述底座的外圍設(shè)置有安全防護(hù)罩。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有超高切削線速度的多功能切削裝置，包括第一電主軸、第二電主軸、車刀架和底座；第一電主軸固定工作臺、第二電主軸移動工作臺和車刀架移動工作臺均設(shè)置在底座上，車刀架移動工作臺位于前方，第一電主軸固定安裝在第一電主軸固定工作臺上；第二電主軸固定安裝在第二電主軸移動工作臺上；第一電主軸和第二電主軸的軸線同軸且相對布置；車刀架移動工作臺上安裝有車刀架。本發(fā)明將切削刀具與工件分別安裝在兩套同軸安裝的電主軸上，兩套電主軸的旋轉(zhuǎn)方向相反，使得刀具和工件間的相對切削速度得到成倍提高，同時具有端面超高速銑削、內(nèi)圓面超高速鏜削以及外圓面超高速車削等多種切削功能。
文檔編號B23Q5/40GK102615553SQ201210106610
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月12日
發(fā)明者劉戰(zhàn)強(qiáng), 王啟東 申請人:山東大學(xué)