CN101088681B - 精轧辊车床 - Google Patents

Abstract

在此提供一种精轧辊车床，其可在辊子表面上加工出由布置在矩阵内的三边或四边锥形所构成的三维图案。精轧辊车床包含：底座；床头箱，安装在底座上，具有用于旋转作为工件的辊子的主轴，同时利用卡盘夹持辊子的一端；尾箱，安装在底座上且相对床头箱布置，用于可旋转地支撑辊子的另一端：支架，包括安装在底座上可沿辊子的纵向方向移动的鞍部和安装在鞍部上可沿垂直于辊子纵向的方向移动的工作台；安装在工作台上的刀具转盘；安装在刀具转盘上且具有多个切削刀具连接在其上的刀架；用作执行辊子沿圆周分度的控制装置也用作以预定旋转速度连续地旋转主轴的控制装置的C轴控制装置；和用于在辊子分度控制和主轴连续旋转控制之间转换的开关装置。

Description

精轧辊车床

技术领域

本发明涉及一种精轧辊车床，其可在辊子的外围表面上加工出由布置在矩阵内的三边或四边锥形所组成的三维图案。 

背景技术

轧辊磨床和轧辊车床通常被用作加工辊子的机床。轧辊磨床包括床头箱，尾箱，和设置有砂轮的支架。 

这样的轧辊磨床可使用砂轮研磨辊子的外围表面以及另外加工外围表面上的凹槽。日本专利公开NO.2003-94239描述了一种轧辊磨床，在它的支架内设有用于凹槽切割的凹槽-加工设备，该设备具有切割锯片。 

轧辊车床是一种刀架固定在支架内的车床，该刀架连接有诸如金刚石刀具，且主要通过床头箱旋转辊子并在辊子的侧向方向(X轴方向)进给支架来加工辊子上的圆周凹槽。当加工辊子上的轴向凹槽时，支架沿辊子纵向方向(Z轴方向)高速移动，同时用床头箱(C轴)分度辊子，由此产生轴向凹槽。 

加工控制技术的近期发展使得在车床上实现超精密加工，并且能够在车床上加工模具以成型光学透镜。例如，申请人已经提出一种能够加工用于成型菲涅耳透镜的模具的立式车床(公开号为No.2004-358624的日本专利)。立式车床可以加工出模具的高精度V形透镜凹槽来用于成型菲涅耳透镜。 

由于液晶显示器的广泛使用，对透镜片的需求逐步增大，该透镜片用于液晶面板的背光。这种透镜片包括，除上述菲涅耳透镜之外，还有双凸透镜片、交叉双凸透镜片、棱形镜片，等等。 

通过利用转印辊子的挤压成型来模制双凸透镜片、交叉双凸透镜片或棱形镜片近来已开始研究。 

在转印辊子用于生产双凸透镜片的情况下，仅仅需要在辊子外围表面上以预定间距上加工精确的圆周凹槽。这种加工甚至可使用传统的一般轧辊车床。 

另一方面，在转印辊子用于交叉双凸透镜片或棱形镜片的情况下，它需 要在辊子上加工出四边锥形或三边锥形的三维图案。 

为了加工出四边锥形的图案，已经研究在辊子表面的矩阵图案内切割圆周凹槽和轴向凹槽。至于加工三边锥形的图案，已经研究了一种方法，其涉及在辊子外围表面上加工出轴向凹槽和螺旋凹槽的组合。 

然而，传统的轧辊车床，不能有效地完成这种凹槽的超精密加工。例如，传统轧辊车床的床头箱，在能够利用马达装置旋转辊子的时候，不能同时兼备辊子旋转功能和辊子分度功能。由此传统车床不能加工出辊子上的轴向凹槽。 

虽然辊子上螺旋凹槽的高精度加工需要在辊子上加工出三边锥形的图案，但是没有轧辊车床能进行高精度的螺旋切削。 

发明内容

因此本发明的一个目的是解决在现有技术中的上述问题和提供一种精轧辊车床，其可在辊子表面以高精度加工出三边锥形或四形锥形的三维图案。 

为了实现该目的，本发明提供一种精轧辊车床，包括：底座；床头箱，安装在底座上，具有用于旋转作为工件的辊子的主轴，同时利用卡盘夹持辊子的一端；尾箱，安装在底座上且相对床头箱布置，用于可旋转地支撑辊子的另一端；支架，包括安装在底座上可沿辊子的纵向方向(Z轴方向)移动的鞍部，和安装在鞍部上可沿垂直于辊子纵向的方向(X轴方向)移动的工作台；安装在工作台上的刀具转盘；安装在刀具转盘上且具有连接在其上的多个切削刀具的刀架；既用作执行辊子圆周方向上的分度的控制装置也用作以预定旋转速度连续地旋转主轴的控制装置的C轴控制装置；和用于在辊子分度控制和主轴连续旋转控制之间可选的转换的开关装置。 

本发明的轧辊车床不仅能通过使用床头箱连续地旋转辊子来加工辊子上的高精度横向凹槽(圆周凹槽)，而且能通过使用床头箱在圆周地及均匀地分度辊子时，在辊子上加工出高精度的纵向凹槽(轴向凹槽)。当在辊子上加工螺旋凹槽与纵向凹槽的组合时，床头箱可以为每个螺旋凹槽分度加工起始位置，并且在进给支架的同时，螺旋凹槽可以通过在精确的旋转速度下连续地旋转辊子而被加工出来。通过设置这种床头箱，本发明的轧辊车床能够在辊子上精密加工出布置在矩阵内的三边或四边锥形的图案。 

附图说明

图1是依照本发明的实施例的精轧辊车床的侧视图； 

图2是精轧辊车床的俯视图； 

图3是精轧辊车床的床头箱的纵剖视图； 

图4是精轧辊车床的刀具转盘的局部正剖视图； 

图5是刀具转盘的透视图； 

图6是显示了要在辊子上加工的四边锥形的三维图案的示意图； 

图7A到7C是显示了用于在辊子上加工四边锥形的步骤的示意图； 

图8是显示了要在辊子上加工的三边锥形的三维图案的示意图；和 

图9A到9C显示了用于在辊子上加工三边锥形的步骤的示意图。 

具体实施方式

现在将参照附图描述本发明的优选实施例。 

图1是依照本发明实施例的精轧辊车床的侧视图，且图2是精轧辊车床的俯视图。 

在图1和2中，附图标记10表示底座。在底座10上安装了床头箱12，尾箱14和支架16。辊子W作为工件由床头箱12和尾箱14可旋转地支承。 

床头箱12布置在底座10的一个纵向端部上。床头箱12包括本体17，主轴18，固定在主轴18前端的卡盘19，和用于驱动主轴18的伺服马达20。主轴18由设置在本体17内的、未显示的静压油轴承所支承。卡盘19夹持辊子W的轴且将主轴18的旋转传递给辊子W。 

图3显示了穿过床头箱12的纵剖面。主轴18由本体17内的径向轴承21和推力轴承22可旋转地支承。在本实施例中，大约50μm的缝隙形成在径向轴承21和主轴18的外围表面之间以及在推力轴承22和主轴18的凸缘部分之间。径向轴承21和推力轴承22利用箭头显示的压力油分别支承主轴18的径向负载和推力负载，因此构成静压油轴承。还可以使用一种利用高压空气的压力支承推力负载和径向负载的空气轴承来代替这种静压油轴承。 

在床头箱12内，转子20a被安装在主轴18的后端，该转子与定子20b滑动啮合。用于驱动主轴18的伺服马达20因此是直接驱动主轴18的内置伺服马达。主轴18的旋转由编码器23检测。编码器23的检测信号被反馈来执行主轴18的位置控制和速度控制。床头箱12由此可作为分度轴(C轴)以执行对辊子W的圆周分度且也可以在恒定旋转速度(直到几百转每分钟)连续地旋转主轴18。 

参见图1和2，尾箱14布置在底座10上且与床头箱12相对。未显示的引导表面设置在底座10的上表面，由此尾箱14可沿着引导表面移动。尾箱14具有主轴24，其代替了传统的常见尾轴，且利用安装在主轴24上的卡盘25可旋转地支撑辊子W的轴。这种尾箱14除没有伺服马达之外基本上与床头箱12构造相同。 

下面介绍支架16。 

支架16包括安装在底座10上可沿辊子W的轴向移动的鞍部26。在鞍部26上安装有可在沿垂直于辊子W轴向的方向上移动的工作台28。在该实施例的精轧辊车床中，鞍部26进给所沿着的轴线被称为Z轴，且工作台28在鞍部26上进给所沿着的轴线被称为X轴。除X轴和Z轴之外，床头箱12具有C轴以及安装在工作台28上的具有B轴的刀具转盘30。因此精轧辊车床是四轴控制机床。 

图4显示了刀具转盘30的正视图。图5是显示了刀具转盘30的示意图，其中外壳被从底座10和鞍部26上去除。依照这些实施例的刀具转盘30包括转盘本体31和顶板32。 

刀架33安装在顶板32的一侧，并且快速切削刀具轴设备34布置在顶板32的另一侧的位置。快速切削刀具轴设备34由固定在刀架33上的托架45支承。刀架33通常为半圆柱形状的刀架，金刚石刀具36以预定间隔布置在该刀架圆周上。在本实施例中三个金刚石刀具36设置在刀架33上，且每个刀具36可以通过使刀架33和顶板32一起转动60度而被分度。当然金刚石刀具36的数目并不限于三个。例如：可以设置四个金刚石刀具且每个刀具通过刀架转动90度而被分度。能加工V形凹槽的点切削刀具被用作金刚石刀具36。用于平衡刀架33重量及快速切削刀具轴设备34重量的平衡块37放置在刀架33上表面上。 

下面介绍快速切削刀具轴设备34。快速切削刀具轴设备34包括本体34a，伺服马达35，和刀具保持架38，其上连接有快速切削刀具39。未显示的刀具轴由本体34a内部的空气轴承支承。刀具轴直接由伺服马达35驱动且以高速旋转。刀具保持架38，安装在刀具轴前端，作成圆盘形状以增大圆周速度。快速切削刀具39，由金刚石刀具组成，夹持在刀具保持架38的外围表面上。在本实施例中，刀具轴设备34在垂直于X轴方向和Z轴方向的位置支承刀具轴， 且在X-Z平面内高速旋转快速切削刀具39。安装在刀架33内的金刚石刀具36的切削刃位于快速切削刀具39旋转的同一X-Z平面内。 

参见图5，一对X轴导轨40，每个都具有倒V形引导表面，在鞍部26的上表面延伸。每个X轴导轨40都具有由通过夹持器保持的多个滚轮组成的限制型滚动导轨41。类似地，一对Z轴导轨42，每个都具有倒V形引导表面，在底座10的上表面延伸。每个Z轴导轨42都类似地具有有限的滚柱轴承43。 

用于进给鞍部26的Z轴进给驱动设备和用于进给工作台28的X轴进给驱动设备，每个都包括线性马达，工作台28上安装有刀具转盘30。在图5中，附图标记47表示构成X轴进给机构的线性马达的永久磁铁列，以及48表示平行于Z轴导轨42延伸的永久磁铁列。 

参见图3，附图标记52表示数控单元。数控单元52数字控制X轴，Z轴，B轴和C轴。对于床头箱12的C轴，数控单元52可以在辊子W上执行用于实现加工起始位置的圆周分度(例如在16-条螺纹的情况下，圆周分为16个相等的部分)的控制和以预定旋转速度连续地旋转主轴的控制。就C轴而言，C轴伺服机构54包括位置控制器55和速度控制器56，和由编码器23形成的位置控制回路和速度控制回路。附图标记57表示用于转换辊子分度控制和主轴18连续旋转控制的开关部。 

从数控单元52收到分度命令，位置控制器55与通过编码器23得到的位置反馈进行比较，由此精确地分度辊子上的圆周位置。另一方面，速度控制器56，从数控单元52收到连续旋转主轴的命令时，与通过编码器得到的速度反馈进行比较以执行速度控制，从而主轴的旋转速度与命令值相符。因此，床头箱12，除了其连续地旋转辊子的主要功能之外，还可以使用相同的编码器实现作为高精度的分度轴的功能。 

下面介绍利用具有上述构造的精轧棍车床对辊子进行加工。 

图6是显示了要在辊子表面内加工的三维图案的示意图。如图6所示，三维图案包括布置在矩阵内的四边锥形。 

这种四边锥形的图案主要通过横向凹槽60和纵向凹槽62的组合加工而形成。特别是，横向凹槽60首先以预定间距被连续地加工，然后交叉的纵向凹槽62以预定间距被连续地加工，从而形成布置在辊子表面矩阵内的四边锥形图案。 

该实施例的精轧辊车床具有下面的功能以加工四边锥形图案： 

传统轧辊车床的床头箱可连续地旋转辊子，但是不能分度辊子。另一方面，该实施例的精轧辊车床的床头箱12设置有C轴，来可选择地实现连续旋转辊子W和分度辊子。 

另外，通过可选择地使用刀架33和快速切削刀具轴设备34，两个都通过以下描述的方式设置在刀具转盘30上，不仅横向凹槽(圆周凹槽)60可以通过连续地旋转辊子W而被切削，且纵向凹槽(轴向凹槽)62也可以在分度辊子W的同时，被高精度地加工。 

下面描述横向凹槽60的加工。横向凹槽60的加工以和传统常见的轧辊车床通常执行的相同方式所执行。特别是，如图7A所示，刀架33的金刚石刀具36中的一个通过围绕B轴转动刀架33被分度。利用床头箱12的伺服马达20旋转辊子W的同时，工作台28在X轴方向被进给，以使用金刚石刀具36切削辊子W的外围表面，从而加工横向凹槽60。通过这种方式，在Z轴方向上以一定距离进给金刚石刀具36的同时，横向凹槽60被连续地加工，该距离与加工下一个凹槽的间距相等。 

由此加工横向凹槽60以后，快速切削刀具轴设备34通过围绕B轴转动工具转盘30而被分度(图7B)。另一方面，辊子W的圆周位置通过绕床头箱12的C轴旋转辊子W来精确分度，横向凹槽的加工在该圆周位置处开始。 

快速切削刀具轴设备34被启动来高速旋转设备34，同时工作台28在X轴方向进给以使快速切削刀具39切削辊子W的外围表面。在保持设备34高速旋转的同时，支架16然后在Z轴方向上进给，从而使快速切削刀具39加工纵向凹槽62。快速切削刀具39间歇地切削辊子W，产生纵向凹槽62。快速切削刀具轴设备34的高速旋转可为快速切削刀具39提供理想的切削速度(大约300m/min)。 

纵向凹槽62由此被连续地加工，同时连续分度辊子W上的C轴圆周加工起始位置(图7C)。在上述方式中，通过加工与V形横向凹槽60相交叉的V形纵向凹槽62，图6所示的四边锥形的图案可被加工在辊子W的表面上。 

就加工这种四边锥形而言，传统轧辊车床存在不能得到足够的切削速度来提供纵向凹槽62高精度加工表面的问题。相反，本发明的轧辊车床，由于使用快速切削刀具轴设备34，则可得到理想的切削速度，即使需要达到极高的 精度，也能够令人满意的加工纵向凹槽。 

另外，传统轧辊车床在床头箱内使用滚柱轴承。在这种情况下，滚柱轴承中滚轮与内外滚道形成直接接触，滚轮的形状精度影响轴承的运动精度。使用这种滚柱轴承很难满足所需的用于光学透镜的转印辊子的加工精度。另一方面，在该实施例的床头箱12的静压油轴承的情况下，油膜形成在主轴18和径向轴承21以及推力轴承22的轴承表面之间。油膜具有平均效应以减少形状误差的影响，实现主轴18的平稳旋转和显著提高主轴18的偏转精度等。结合C轴控制和快速切削刀具轴设备34的上述效果，就能够进行超精密加工。虽然在该实施例中使用点切削工具作为金刚石刀具36，但还可以使用具有圆形切削刃的切削刀具。使用这种切削工具执行上述加工方法能够加工诸如转印辊子来成型交叉双凸面透镜。 

图8显示了布置在矩阵内的三边锥形的三维图案。这种三边锥形的图案主要通过加工V形纵向凹槽62并结合第一V形螺旋凹槽64和第二V形螺旋凹槽65而被制成，所述螺旋凹槽以相反方向螺旋。在本实施例中第一螺旋凹槽64和第二螺旋凹槽65具有相同的螺旋角度。 

下面描述第一螺旋凹槽64的加工。第一螺旋凹槽64可以通过使用金刚石刀具36，在沿着图9A所示箭头A的方向旋转辊子和沿辊子轴向方向进给金刚石刀具36来加工。特别是，刀架33的金刚石刀具36中的一个被分度，且辊子W利用床头箱12的伺服马达20连续旋转。金刚石工具36在X轴方向进给来切削辊子W，且然后支架16在Z轴方向进给，从而加工出第一螺旋凹槽64。 

下一个第一螺旋凹槽64可以在通过围绕C轴旋转辊子来分度辊子W上的下一个加工起始位置之后以相同的方式进行加工。例如，在切削16-条螺纹的情况下，16个加工起始位置通过平分辊子圆周为16个相等的部分来设置。第一螺旋凹槽64由此被连续地加工。 

接下来，第二螺旋凹槽65，其与第一螺旋凹槽64交叉和反向螺旋，可以通过朝图9B所示箭头B来反向旋转辊子W，就象第一螺旋凹槽64，在Z轴方向进给床头箱12而被加工。 

这样，在连续加工第一螺旋凹槽64和第二螺旋凹槽后，纵向凹槽62以预定间距被连续加工，由此纵向凹槽62经过螺旋凹槽64和65的交叉点，由 此布置在矩阵内的如图8中所示的三边锥形图案可以在辊子表面被加工出来。纵向凹槽62的加工可以以相同的方式，参考上述四边锥形图案的加工、快速切削刀具轴设备34的使用以及在理想切削速度(大约300m/min)下纵向凹槽的加工而实现，因此省略其详细说明。 

根据利用本发明的轧辊车床加工三边锥形图案的上述方式，用于加工螺旋凹槽的辊子W上的加工起始位置可以使用床头箱12的C轴而被精确分度，另外，辊子W在螺旋切削时以精确的旋转速度连续旋转。另外，床头箱12使用静压油轴承21，22可以提高运动精度。本发明的轧辊车床因此可以执行三边锥形图案的超精密加工。 

Claims (8)

1.一种精轧辊车床，包括：

底座；

床头箱，安装在底座上，具有用于旋转作为工件的辊子的主轴，同时利用卡盘保持辊子的一端；

尾箱，安装在底座上且相对床头箱布置，用于可旋转地支承辊子的另一端；

支架，包括可沿辊子纵向方向移动地安装在底座上的鞍部，和可沿垂直于辊子纵向的方向移动地安装在鞍部上的工作台；

刀具转盘，安装在工作台上；

刀架，安装在刀具转盘上并且具有与其相连的多个切削刀具；

C轴控制装置，既用作执行沿圆周方向上的辊子分度的控制装置，也用作以预定旋转速度连续地旋转主轴的控制装置，所述C轴控制装置包括用于精确地分度辊子上的圆周位置的位置控制器及用于控制主轴旋转速度的速度控制器；

开关装置，用于在辊子-分度控制和主轴连续旋转控制之间的可选的切换；以及

具有安装在刀架上的快速切削刀具的快速切削刀具轴设备，所述快速切削刀具用于加工纵向凹槽，

其中，快速切削刀具轴设备包括将快速切削刀具保持在其外围表面的盘形切削刀具保持架、内部具有空气轴承来支承切削刀具轴的本体、和用于直接驱动切削刀具轴的伺服马达，

快速切削刀具轴设备在与刀架的切削刀具高度相同的X-Z平面内旋转快速切削刀具。

2.如权利要求1所述的精轧辊车床，其特征在于，床头箱具有静压轴承，包含径向轴承和推力轴承，该静压轴承利用流体压力以非接触方式支承主轴。

3.如权利要求1所述的精轧辊车床，其特征在于，床头箱具有用于直接驱动主轴的内置伺服马达、和用于检测主轴的转数且输出检测信号给C轴控制装置的编码器。

4.如权利要求1所述的精轧辊车床，其特征在于，刀架具有半柱状的刀架本体、和以预定间距安装在刀架本体圆周上的切削刀具。

5.如权利要求1所述的精轧辊车床，其特征在于，刀架上放置有平衡块，以便平衡快速切削刀具轴设备的重量与刀架的重量。

6.如权利要求1所述的精轧辊车床，其特征在于，还包括用于引导支架进给的Z轴滚动导轨，所述导轨平行于Z轴地在底座上延伸且具有布置有多个滚轮的引导表面。

7.如权利要求1所述的精轧辊车床，其特征在于，还包括X轴进给驱动设备和Z轴进给驱动设备，每个设备都包含有线性马达。

8.如权利要求1所述的精轧辊车床，其特征在于，所述辊子纵向方向是Z轴方向，垂直于辊子纵向的方向是X轴方向。

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