CN101195178A - 龙门式超精密飞切铣床 - Google Patents
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Abstract
龙门式超精密飞切铣床，它涉及一种铣床。本发明解决了现有技术中没能提供用于平面超精密加工的专用设备来加工非线性光学领域所急需的KDP晶体等功能材料的问题。所述主轴套(38)套装在气体静压主轴(35)上，飞刀盘(34)安装在气体静压主轴(35)的下端上，上溜板(41)的两端通过两个中间溜板(45)与两个下溜板(46)分别固接并形成凹槽(62)，所述导轨(42)的上端安装在凹槽(62)内，真空吸盘(57)安装在上溜板(41)上，丝母(58)套装在丝杠(11)上，丝杠(11)的两端安装在导轨(42)的上端。本发明实现了高精度的直线进给运动和刀盘的回转运动，而且导轨和主轴均采用了空气静压的控制方式，具有精度高、无污染等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种铣床。
背景技术
随着现代高新技术的不断发展，出现了大量的功能材料，如KDP晶体等，它是高功率固体激光器所用的关键元器件，由于其功能和材料性质的特殊性，对它的加工只能是采用超精密飞刀铣削的工艺方法加工，为了获得超光滑的表面，除了要研究刀具和超精密加工工艺技术以外，对于超精密加工设备必须要认真研究。在实际工作中，对一些功能材料的加工精度和表面质量要求很高，对于KDP晶体而言，往往要求其几何尺寸为320mm×320mm×10mm；面形精度为0.125μm；表面粗糙度小于5nm(RMS)；双面表面平行度：≤10″。对于平面类的软脆功能材料零件，由于其面型简单，即仅为平面，加工工艺固定，即仅为单刀飞切铣削加工。但是现有的技术中没能提供专门用于平面超精密加工的专用设备，本发明就是在这样的技术背景下完成的。
发明内容
本发明为了解决现有技术中没能提供用于平面超精密加工的专用设备来加工非线性光学领域(如高功率固体激光器)所急需的KDP晶体等功能材料的问题，进而提供了一种龙门式超精密飞切铣床。
本发明的技术方案是：龙门式超精密飞切铣床包括龙门架式床身、主轴系统、直线导轨系统、高压气体管路装置；所述龙门架式床身由横梁、两个立柱、基座组成，所述主轴系统包括主轴电机、气体静压主轴、主轴套、气体静压轴承、飞刀盘、刀具总成，所述直线导轨系统包括导轨、上溜板、两个下溜板、两个中间溜板、真空吸盘、电机、柔性连轴节、丝杠、丝母、气体静压联轴节、丝杠座、丝杠后座、丝杠轴承、后轴承、丝母气浮座、锁紧装置；所述两个立柱位于横梁和基座之间的左右两侧，横梁和基座通过两个两个立柱固接在一起，主轴电机的输出轴与主轴套固接，主轴套套装在气体静压主轴上，气体静压主轴的轴肩处装有气体静压轴承，飞刀盘安装在气体静压主轴的下端上，刀具总成安装在飞刀盘上，主轴套位于横梁中间，主轴套的台肩与横梁固接，上溜板的两端通过两个中间溜板与两个下溜板分别固接并形成凹槽，所述导轨的上端安装在凹槽内，导轨的下端与基座连接，真空吸盘安装在上溜板上，丝母套装在丝杠上，丝杠的两端通过丝杠座和丝杠后座安装在导轨的上端，丝杠轴承安装在丝杠座与丝杠之间，后轴承安装在丝杠后座与丝杠之间，丝母气浮座安装在丝母上，气体静压联轴节位于丝母的上方且安装在上溜板上，电机通过柔性连轴节与丝杠转动连接，锁紧装置位于丝杠座的上方并安装在丝杠上，高压气体管路装置与真空吸盘上和气体静压联轴节分别连通。
本发明具有以下有益效果：本发明实现了高精度的直线进给运动和刀盘的回转运动，而且导轨和主轴均采用了空气静压的控制方式，具有精度高、无污染等优点。本发明的加工精度指标高，完全适合KDP晶体等功能材料的超精度加工。实验结果表明，机床的主要精度指标为气体静压主轴跳动量0.016μm，其轴向刚度≥525N/μm，角刚度40Nm/角秒，导轨运动直线度误差为0.1μm/450mm和0.2μm/600mm，导轨刚度≥2000N/μm。本发明的铣床进行了铝镜的加工试验，对直径130mm的铝镜，加工表面平面度达到λ/4左右(p-v值)。加工300mm×300mm的方形大口径铝反射镜，面形精度达到1.6λ(P-V)，优于美国晶体加工机床的面形精度要求(5λ)。此外，本发明还具有以下优点：机床整体采用龙门架式的立式结构来支撑主轴系统，结构对称，布局简单，对提高主轴回转精度有利；主轴和刀盘的重量由较大刚度的止推轴承支撑，避免了卧式结构中由刀盘重量引起的主轴轴线的偏移；沿切深方向的进给由刀具调整机构保证，无需采用专用进给导轨，从而避免引入更多的误差源；真空吸盘水平放置，有利于工件因自重和夹紧而产生的变形的一致性；工作中工件水平放置，便于操作，有利于工件装夹和安全；选择变频电机作为主轴的驱动元件，实现主轴的高精度回转，本机床拟采用单点金刚石刀具飞刀铣削方式来加工KDP晶体。
附图说明
图1是本发明的整体结构主视图，图2是图1的左视剖视图，图3是图2的A部放大图，图4是图2的B部放大图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～4所示，本实施方式的龙门式超精密飞切铣床由龙门架式床身71、主轴系统72、直线导轨系统73、高压气体管路装置61组成；所述龙门架式床身71由横梁40、两个立柱48、基座49组成，所述主轴系统72由主轴电机36、气体静压主轴35、主轴套38、气体静压轴承60、飞刀盘34、刀具总成56组成，所述直线导轨系统73由导轨42、上溜板41、两个下溜板46、两个中间溜板45、真空吸盘57、电机3、柔性连轴节6、丝杠11、丝母58、气体静压联轴节59、丝杠座4、丝杠后座20、丝杠轴承10、后轴承21、丝母气浮座12、锁紧装置8组成；所述两个立柱48位于横梁40和基座49之间的左右两侧，横梁40和基座49通过两个两个立柱48固接在一起，主轴电机36的输出轴与主轴套38固接，主轴套38套装在气体静压主轴35上，气体静压主轴35的轴肩35-1处装有气体静压轴承60，飞刀盘34安装在气体静压主轴35的下端上，刀具总成56安装在飞刀盘34上，主轴套38位于横梁40中间，主轴套38的台肩38-1与横梁40固接，上溜板41的两端通过两个中间溜板45与两个下溜板46分别固接并形成凹槽62，所述导轨42的上端安装在凹槽62内，导轨42的下端与基座49连接，真空吸盘57安装在上溜板41上，丝母58套装在丝杠11上，丝杠11的两端通过丝杠座4和丝杠后座20安装在导轨42的上端，丝杠轴承10安装在丝杠座4与丝杠11之间，后轴承21安装在丝杠后座20与丝杠11之间，丝母气浮座12安装在丝母58上，气体静压联轴节59位于丝母58的上方且安装在上溜板41上，电机3通过柔性连轴节6与丝杠11转动连接，锁紧装置8位于丝杠座4的上方并安装在丝杠11上，高压气体管路装置61与真空吸盘57上和气体静压联轴节59分别连通。
龙门架式床身主要用来支撑整个机床其它功能部件的重量，并保证各部件静态位置不变动，同时具有隔离外部振源和减振的功能。由于床身结构相对一般机床比较简单，整体可选用大块花岗岩材料。花岗岩材料属于石材类，比铸铁稳定性好，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强，硬度高、耐磨并且不会生锈、耐腐蚀。因为加工后不需要进行时效应力处理，可以缩短整机的制造周期。
主轴系统是该超精密机床的关键部件之一。它的回转精度、刚度及其结构尺寸都直接影响到机床的加工精度。主轴要求达到极高的回转精度，转动平稳，无振动，承载能力大，刚度高，其关键在于所用的精密轴承的制造精度。由于加工时切削力很小，该机床主轴选用空气静压轴承作为支撑。空气静压轴承回转精度高，在主轴高速转动时温升非常小，因此造成的热变形误差也小，同时工作介质(空气)的泄露对周围环境不造成污染。但是其主要的缺点是刚度相对较低，这可以通过加大轴承直径等方法来解决。经过详细的计算，得到了气体静压主轴的相关参数，主轴直径选为120mm，两轴套之间的距离为360mm，主轴的长度定为500mm，在供气压力为0.5Mpa时，径向轴承的静态刚度为182N/μm，初步估算角刚度为49Nm/sec。
基座上的直线导轨系统是该超精密机床的关键部件。直线导轨系统是实现工件进给的运动部件，不仅要求静态直线度精度高，而且要求动态直线度精度高，在运动速度极低的情况下要求运动平稳、无波动。由于KDP晶体宽度尺寸大(410mm×410mm)，与主轴回转精度的影响相比较，直线导轨的直线度误差对KDP晶体加工精度影响更大。本超精密机床的直线导轨采用闭式结构，通过结构设计和参数优化用以提高导轨刚度和承受的载荷。由于工作台的导轨面的上下、左右均在静压作用下，移动导轨浮在中间，基本没有摩擦力，不发热，没有温升很小。该机床工作导轨采用花岗岩材料，与床身的材质一样。经过详细的计算，得到了本气体静压导轨的相关参数，上导轨的有效面积为1920cm2，下导轨的有效面积1440cm2，有效面积差为480cm2，上下导轨的静态刚度与间隙有关，当间隙为18μm时，刚度为2835N/μm，间隙为16μm时，刚度为3648N/μm。
具体实施方式二：如图1～4所示，本实施方式所述真空吸盘57由上吸盘18和下吸盘19组成，上吸盘18叠放在下吸盘19上并与下吸盘19固接。如此设计，便于加工真空吸盘内气孔。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图1～4所示，本实施方式所述气体静压联轴节59由气浮推板座13、气浮推板15、两个气浮止推板14、气浮止推板支座16组成，所述气浮推板座13与气浮推板15的下端固接，两个气浮止推板14位于气浮推板15的两侧端面上，两个气浮止推板14的上端与气浮止推板支座16固接。如此设计，便于加工并能提高运动精度。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：如图1～4所示，本实施方式所述主轴系统72还包括主轴电机座37，所述主轴电机座37安装在主轴电机36和气体静压主轴35之间。如此设计，便于安装。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：如图1～4所示，本实施方式所述直线导轨系统73还包括丝杠螺母5、前端盖9、后端盖22，所述丝杠螺母5位于锁紧装置8和丝杠轴承10之间且安装在丝杠11上，前端盖9安装在丝杠螺母5上；所述后端盖22安装在后轴承21上。如此设计，使丝杠11运行更平稳。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：如图1～4所示，本实施方式还包括水平垂直调整机构74、垂直调整机构76；所述水平垂直调整机构74位于横梁40与立柱48之间的左侧，所述水平垂直调整机构74由调整垫铁28、调整垫铁凹垫32、调整垫铁凸垫33、调整垫铁斜垫31、调整垫铁丝杆30、调整垫铁丝帽29、调整连接件64组成，所述调整垫铁28设置在立柱48的上端，调整垫铁斜垫31设置在调整垫铁28的斜面上，调整垫铁凹垫32设置在调整垫铁28的上端，调整垫铁凸垫33放置在横梁40和调整垫铁凹垫32之间，所述调整垫铁28、调整垫铁凹垫32、调整垫铁凸垫33、调整垫铁斜垫31通过调整连接件64与横梁40的左端及立柱48连接；所述垂直调整机构76位于横梁40与立柱48之间的右侧，所述垂直调整机构76由垫铁凹座39、垂直调整垫铁凸垫63、垂直调整连接件69组成，所述垂直调整垫铁凸垫63设置在垫铁凹座39上且二者通过垂直调整连接件69与横梁40的右端及立柱48连接。如此设计，便于调整机床上的主轴系统72和直线导轨系统73相对位置以及横梁40的水平度，进一步提高加工精度。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：如图1～4所示，本实施方式还包括隔振系统75，所述隔振系统75设置在基座49的底端，隔振系统75由气垫连接板50、气垫板51、隔震气垫52、支撑螺杆53、支撑螺母54、支撑底座55组成，气垫连接板50和气垫板51设置在隔震气垫52的上端，隔震气垫52通过支撑螺杆53、支撑螺母54与支撑底座55连接。如此设计，减小床身的振动以提高加工精度。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
工作原理
本发明研究的是一钟单刀飞切专用铣床，采用高精度直流力矩电机3作为溜板(由上溜板41、两个下溜板46、两个中间溜板45组成)的驱动元件，电机3的回转运动通过高精度滚珠丝杠副(丝杠11、丝母58)将回转运动转换成直线运动，丝母58沿丝杠11作直线运动，丝母58通过气体静压联轴节59推动溜板，使溜板沿导轨42作直线运动，这样就将电机3的运动和动力传递到溜板上，驱动溜板作超精密的低速移动，实现机床的超精密直线进给运动。整个导轨溜板系统固联在花岗石床身上；主轴电机36(变频电机)驱动气体静压主轴35，实现气体静压主轴35的高精度回转运动，飞刀盘34绕气体静压主轴35作超精密高速回转，飞刀盘34带动其上的金刚石刀具高速回转，高精度直流电机3通过滚珠丝杠副驱动溜板作直线进给运动，实现了对被加工零件的超精密飞刀铣削加工。
Claims (7)
1.一种龙门式超精密飞切铣床，它包括龙门架式床身(71)、主轴系统(72)、直线导轨系统(73)、高压气体管路装置(61)；其特征在于所述龙门架式床身(71)由横梁(40)、两个立柱(48)、基座(49)组成，所述主轴系统(72)包括主轴电机(36)、气体静压主轴(35)、主轴套(38)、气体静压轴承(60)、飞刀盘(34)、刀具总成(56)，所述直线导轨系统(73)包括导轨(42)、上溜板(41)、两个下溜板(46)、两个中间溜板(45)、真空吸盘(57)、电机(3)、柔性连轴节(6)、丝杠(11)、丝母(58)、气体静压联轴节(59)、丝杠座(4)、丝杠后座(20)、丝杠轴承(10)、后轴承(21)、丝母气浮座(12)、锁紧装置(8)；所述两个立柱(48)位于横梁(40)和基座(49)之间的左右两侧，横梁(40)和基座(49)通过两个两个立柱(48)固接在一起，主轴电机(36)的输出轴与主轴套(38)固接，主轴套(38)套装在气体静压主轴(35)上，气体静压主轴(35)的轴肩(35-1)处装有气体静压轴承(60)，飞刀盘(34)安装在气体静压主轴(35)的下端上，刀具总成(56)安装在飞刀盘(34)上，主轴套(38)位于横梁(40)中间，主轴套(38)的台肩(38-1)与横梁(40)固接，上溜板(41)的两端通过两个中间溜板(45)与两个下溜板(46)分别固接并形成凹槽(62)，所述导轨(42)的上端安装在凹槽(62)内，导轨(42)的下端与基座(49)连接，真空吸盘(57)安装在上溜板(41)上，丝母(58)套装在丝杠(11)上，丝杠(11)的两端通过丝杠座(4)和丝杠后座(20)安装在导轨(42)的上端，丝杠轴承(10)安装在丝杠座(4)与丝杠(11)之间，后轴承(21)安装在丝杠后座(20)与丝杠(11)之间，丝母气浮座(12)安装在丝母(58)上，气体静压联轴节(59)位于丝母(58)的上方且安装在上溜板(41)上，电机(3)通过柔性连轴节(6)与丝杠(11)转动连接，锁紧装置(8)位于丝杠座(4)的上方并安装在丝杠(11)上，高压气体管路装置(61)与真空吸盘(57)上和气体静压联轴节(59)分别连通。
2.根据权利要求1所述的龙门式超精密飞切铣床，其特征在于所述真空吸盘(57)由上吸盘(18)和下吸盘(19)组成，上吸盘(18)叠放在下吸盘(19)上并与下吸盘(19)固接。
3.根据权利要求1所述的龙门式超精密飞切铣床，其特征在于所述气体静压联轴节(59)由气浮推板座(13)、气浮推板(15)、两个气浮止推板(14)、气浮止推板支座(16)组成，所述气浮推板座(13)与气浮推板(15)的下端固接，两个气浮止推板(14)位于气浮推板(15)的两侧端面上，两个气浮止推板(14)的上端与气浮止推板支座(16)固接。
4.根据权利要求1所述的龙门式超精密飞切铣床，其特征在于所述主轴系统(72)还包括主轴电机座(37)，所述主轴电机座(37)安装在主轴电机(36)和气体静压主轴(35)之间。
5.根据权利要求1所述的龙门式超精密飞切铣床，其特征在于所述直线导轨系统(73)还包括丝杠螺母(5)、前端盖(9)、后端盖(22)，所述丝杠螺母(5)位于锁紧装置(8)和丝杠轴承(10)之间且安装在丝杠(11)上，前端盖(9)安装在丝杠螺母(5)上；所述后端盖(22)安装在后轴承(21)上。
6.根据权利要求1所述的龙门式超精密飞切铣床，其特征在于它还包括水平垂直调整机构(74)、垂直调整机构(76)；所述水平垂直调整机构(74)位于横梁(40)与立柱(48)之间的左侧，所述水平垂直调整机构(74)由调整垫铁(28)、调整垫铁凹垫(32)、调整垫铁凸垫(33)、调整垫铁斜垫(31)、调整垫铁丝杆(30)、调整垫铁丝帽(29)、调整连接件(64)组成，所述调整垫铁(28)设置在立柱(48)的上端，调整垫铁斜垫(31)设置在调整垫铁(28)的斜面上，调整垫铁凹垫(32)设置在调整垫铁(28)的上端，调整垫铁凸垫(33)放置在横梁(40)和调整垫铁凹垫(32)之间，所述调整垫铁(28)、调整垫铁凹垫(32)、调整垫铁凸垫(33)、调整垫铁斜垫(31)通过调整连接件(64)与横梁(40)的左端及立柱(48)连接；所述垂直调整机构(76)位于横梁(40)与立柱(48)之间的右侧，所述垂直调整机构(76)由垫铁凹座(39)、垂直调整垫铁凸垫(63)、垂直调整连接件(69)组成，所述垂直调整垫铁凸垫(63)设置在垫铁凹座(39)上且二者通过垂直调整连接件(69)与横梁(40)的右端及立柱(48)连接。
7.根据权利要求1所述的龙门式超精密飞切铣床，其特征在于它还包括隔振系统(75)，所述隔振系统(75)设置在基座(49)的底端，隔振系统(75)由气垫连接板(50)、气垫板(51)、隔震气垫(52)、支撑螺杆(53)、支撑螺母(54)、支撑底座(55)组成，气垫连接板(50)和气垫板(51)设置在隔震气垫(52)的上端，隔震气垫(52)通过支撑螺杆(53)、支撑螺母(54)与支撑底座(55)连接。
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