CN102615553A - 具有超高切削线速度的多功能切削装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有超高切削线速度的多功能切削装置，包括第一电主轴、第二电主轴、车刀架和底座；第一电主轴固定工作台、第二电主轴移动工作台和车刀架移动工作台均设置在底座上，车刀架移动工作台位于前方，第一电主轴固定安装在第一电主轴固定工作台上；第二电主轴固定安装在第二电主轴移动工作台上；第一电主轴和第二电主轴的轴线同轴且相对布置；车刀架移动工作台上安装有车刀架。本发明将切削刀具与工件分别安装在两套同轴安装的电主轴上，两套电主轴的旋转方向相反，使得刀具和工件间的相对切削速度得到成倍提高，同时具有端面超高速铣削、内圆面超高速镗削以及外圆面超高速车削等多种切削功能。

Description

具有超高切削线速度的多功能切削装置

技术领域

本发明涉及一种可实现超高切削线速度的多功能切削装置，属于金属切削机床技术领域。

背景技术

高速切削技术是目前机械加工领域中的最前沿技术。高速切削具有：金属切除率高于常规切削5-10倍、切削力比传统切削低约30％，切削变形小、被加工表面有较低的切削热、易于实现无振动切削、精加工成本低等诸多优点。

随着高速切削技术研究的不断深入，对于实现更高的切削线速度具有越来越迫切的需求。目前，提高主轴转速，加大回转切削刀具或者回转工件的有效切削直径，是实现更高切削线速度的根本途径。但是切削线速度的进一步提高受限于高速电主轴系统、快速进给系统、高速切削刀具结构、高速切削刀柄系统、高速切削加工的安全防护与实时监控技术等技术瓶颈的制约。

发明内容

本发明针对现有技术存在的难以进一步提高切削速度的问题，提供一种能够大幅度提高切削线速度、实现多种切削功能的具有超高切削线速度的多功能切削装置。

本发明的具有超高切削线速度的多功能切削装置，采用以下技术解决方案：

该切削装置，包括第一电主轴、第一电主轴固定工作台、第二电主轴、第二电主轴移动工作台、车刀架、车刀架移动工作台和底座；第一电主轴固定工作台、第二电主轴移动工作台和车刀架移动工作台均设置在底座上，车刀架移动工作台位于第一电主轴固定工作台和第二电主轴移动工作台的前方，第一电主轴固定安装在第一电主轴固定工作台上，第一电主轴上安装有三爪卡盘；第二电主轴固定安装在第二电主轴移动工作台上，第二电主轴移动工作台带动第二电主轴纵向移动；第一电主轴和第二电主轴的轴线同轴且相对布置；车刀架移动工作台上安装有车刀架，车刀架移动工作台带动车刀架纵向和横向移动；

第二电主轴移动工作台是通过X’方向滚动导轨安装在底座上的，第二电主轴移动工作台与X’方向滚动导轨之间设置有X’方向螺母丝杠移动机构，X’方向螺母丝杠移动机构带动第二电主轴移动工作台实现沿X’方向的纵向移动；

车刀架移动工作台通过相互独立且相互垂直的X方向滚动导轨和Y方向滚动导轨安装在底座上的，Y方向滚动导轨安装在底座上，Y方向滚动导轨上安装有Y方向移动座，X方向滚动导轨设置在Y方向移动座上且与Y方向滚动导轨垂直，车刀架移动工作台安装在X方向滚动导轨上；Y方向滚动导轨与Y方向移动座之间设有Y方向螺母丝杠移动机构；X方向滚动导轨与车刀架移动工作台之间设有X方向螺母丝杆移动机构；Y方向螺母丝杠移动机构和X方向螺母丝杆移动机构带动车刀架移动工作台实现沿Y方向的横向运动和沿X方向的纵向移动。

第一电主轴和第二电主轴的前端轴承处均安装温度监测装置，以实时监测电主轴内部的温度变化。

底座的外围设置有安全防护罩，将各部件进行全封闭保护。安全防护罩的前面设置有联锁防护门。

上述切削装置可以实现以下多种切削功能：

1.在第二电主轴上安装单齿铣削刀具，利用第一电主轴带动工件的转动、和第二电主轴移动台带动铣削刀具的纵向移动第二电主轴带动铣削刀具的转动可以实现对工件的超高速端面铣削(飞铣)加工；

2.在第二电主轴上安装镗刀，利用第一电主轴带动工件的转动、第二电主轴移动台的纵向移动和第二电主轴带动镗刀的转动可以实现对工件内孔的超高速镗削加工；

3.利用车刀架移动台带动车刀的纵向或横向移动以及第一电主轴带动工件的转动可以实现对工件的超高速外圆车削或端面车削加工。

本发明与现有机床的传统结构配置相比，将切削刀具与工件分别安装在两套同轴安装的电主轴上，两套电主轴的旋转方向相反，使得铣刀或镗刀和工件间的相对切削速度得到成倍提高，同时具有端面超高速铣削、内圆面超高速镗削以及外圆面超高速车削及端面车削等多种切削功能。

附图说明

图1为本发明具有超高切削线速度的多功能切削装置的结构示意图。

图2为本发明切削装置的进给原理示意图。

图3为本发明切削装置的端面超高速铣削功能的切削原理示意图。

图4为本发明切削装置的内圆面超高速镗削功能的切削原理示意图。

图5为本发明切削装置的外圆面超高速车削功能的切削原理示意图。

图中：1、第一电主轴固定工作台，2、第一电主轴，3、三爪卡盘，4、工件，5、车削刀片，6、铣削刀片，7、单齿铣削刀柄，8、第二电主轴，9、第二电主轴移动工作台，10、温度监测装置，11、车刀杆，12、车刀架，13、车刀架移动工作台，14、报警指示灯，15、联锁防护门，16、安全防护罩，17、X’方向螺母丝杠移动机构，18、X’方向驱动电机，19、X’方向滚动导轨，20、滚珠，21、Y方向驱动电机，22、Y方向螺母丝杆移动机构，23、X方向螺母螺杆机构，24、X方向驱动电机，25、Y方向移动座，26、X方向滚动导轨，27、Y方向滚动导轨，28、底座，29、镗削刀具，30、镗削刀柄；

D₁为工件4被切削部分外径尺寸，单位mm；

H为工件4壁厚即被切削部分厚度，单位mm；

L为铣削刀片6的宽度，单位mm；

D₂为铣削刀片6的有效切削直径，单位mm；

R₁为铣削刀片6在单齿铣削刀柄7上的安装位置尺寸，单位mm。

具体实施方式

本发明的具有超高切削线速度的多功能切削装置，其结构如图1所示，主要包括第一电主轴固定工作台1、第一电主轴2、第二电主轴8、第二电主轴移动工作台9、车刀架12、车刀架移动工作台13以及底座28。第一电主轴固定工作台1、第二电主轴移动工作台9和车刀架移动工作台13均设置在底座28上。车刀架移动工作台13位于第一电主轴固定工作台1和第二电主轴移动工作台9的前方。第一电主轴2固定安装在第一电主轴固定工作台1上，第一电主轴2的主轴上安装有三爪卡盘3，工件4装夹在三爪卡盘3上。第二电主轴8固定安装在第二电主轴移动工作台9上，第二电主轴8的主轴上可以安装带有铣削刀片6的单齿铣削刀柄7，也可以安装镗削刀具29(参见图4)，第二电主轴8带动单齿铣削刀柄7或镗削刀柄30作高速旋转。第二电主轴移动工作台9带动第二电主轴纵向移动(即图2中的X’轴方向)，实现安装在第二电主轴8上的铣削刀具或镗削刀具的进刀、退刀和进给运动。第一电主轴2和第二电主轴8的轴线同轴，且相对布置。车刀架移动工作台13上安装有车刀架12，车刀架12上固定安装有车刀杆11，车刀杆11上装夹有车刀片5。车刀架移动工作台13带动车刀架12纵向和横向移动(即图2中的X轴方向和Y轴方向)，实现车刀架移动台13带动车刀架12，实现车削刀具的进刀、退刀和进给运动。

电主轴高速旋转时，主轴轴承会因承受负载而温升很快，轴承温度过高时，会影响电主轴的精度和寿命，甚至可能造成轴承损坏，对机床操作者和机床造成严重后果。为防止这一现象，第一电主轴2和第二电主轴8的前端轴承处均安装温度监测装置10，以实时监测电主轴内部的温度变化。在整个装置的控制程序中设置两档门槛限制值来对轴承的温升进行监控和保护，当监测到的主轴轴承温度达到第一限值(一般为65℃)时，给出提示信息，如黄色报警指示灯亮；当轴承温度达到75℃时，机床开始报警，同时电主轴停止旋转，各坐标停止运动。

如图2所示，第二电主轴移动工作台9是通过带有滚珠20的X’方向滚动导轨19安装在底座28上的，X’方向滚动导轨19安装在底座28上，第二电主轴移动工作台9安装在X’方向滚动导轨19上。第二电主轴移动工作台9与X’方向滚动导轨19之间设置有X’方向螺母丝杠移动机构17，该机构中的丝杠与X’方向驱动电机18连接，X’方向驱动电机18安装在X’方向滚动导轨19的一端。X’方向驱动电机18带动丝杠运转，并通过X’方向螺母丝杠移动机构17中的螺母带动第二电主轴移动工作台9沿X’方向滚动导轨19沿X’方向移动。滚动导轨具有磨擦系数小和动、静磨擦系数之差较小的特点，故爬行现象比滑动导轨有所改善。

为了实现车刀架移动工作台13沿X、Y两个方向的运动，车刀架移动工作台13具有X方向滚动导轨26和Y方向滚动导轨27两个相互独立且相互垂直的导向导轨，Y方向滚动导轨27安装在底座28上，Y方向滚动导轨27上安装有Y方向移动座25，X方向滚动导轨26设置在Y方向移动座25上且与Y方向滚动导轨27垂直，车刀架移动工作台13安装在X方向滚动导轨26上。Y方向滚动导轨27与Y方向移动座25之间设有Y方向螺母丝杠移动机构22，该机构中的丝杠与Y方向驱动电机21连接，Y方向驱动电机21安装在Y方向滚动导轨27的一端。Y方向驱动电机21带动Y方向螺母丝杠移动机构22中的丝杠运转，从而使Y方向移动座25沿Y方向移动。X方向滚动导轨26与车刀架移动工作台13设有X方向螺母丝杆移动机构23，该机构中的丝杠与X方向驱动电机24连接，X方向驱动电机24安装在X方向滚动导轨26的一端，X方向驱动电机24带动X方向螺母丝杆移动机构23中的丝杠运转，从而使车刀架移动工作台13沿X方向移动。这样，在Y方向螺母丝杠移动机构22和X方向螺母丝杆移动机构23的作用下实现了车刀架移动工作台13沿X、Y两个方向的运动。

本发明的切削装置具有主轴转速高(超过50000r/min)和进给速度大(为传统的5～10倍)的特点，但由于刀具转速高或重量大，如果刀具不匹配或动平衡精度不高，会造成较高的离心率，不但可能导致加工过程的不稳定，严重的还会导致刀具的弯曲、断裂、解体，从而引起重大事故。因此在底座28的外围设置有安全防护罩16，以将第一电主轴固定工作台1、第二电主轴移动工作台9和车刀架移动工作台13及安装在其上面的部件进行全封闭保护，防止带有高温的切屑或损坏的刀具飞出，保护操作人员和装置本身的安全；安全防护罩16上设有高强度透明材料制成的观察窗，用于操作者在安全区域内观察切削装置的运行状态。

安全防护罩16的前面设置有联锁防护门15，联锁防护门15兼有启动电气开关的作用，该门不拉上时，整个装置将无法启动；若门打开时，整个装置立即停止运行；在正常加工时联锁防护门15处于闭锁状态，禁止打开。联锁防护门15的开启和关闭依靠程序控制，只有当电主轴和各坐标在停止状态下才被允许打开；当联锁防护门15在开启状态时，操作者只能使用手持单元手动移动坐标，电主轴禁止旋转，加工程序也不允许执行；当操作者，违反这种设计规范时，将出现报警信号，同时禁止继续操作，避免操作者由于误操作或是其他因素造成事故伤害。

安全防护罩16的前面一侧设置有报警指示灯14，报警指示灯14与装置的报警装置相连，用于指示整个装置的运行状态，当误操作或电主轴内部温度过高等危险状况出现，机床运行异常时，红色指示灯亮；运行正常时绿色指示灯亮。

上述切削装置中，将铣削刀具或镗削刀具和工件4分别安装在两套同轴安装的电主轴上，两套电主轴的旋转方向相反，使得铣刀或镗刀和工件间的相对切削速度得到成倍提高，巧妙简单地实现了超高速切削，具有很强的实用性。可按以下过程参考图1和图3计算出切削线速度：

n₁为工件4的旋转速度，单位m/min，n₂为单齿铣削刀柄7的旋转速度，单位m/min；D₁为工件5被切削部分外径尺寸，单位mm；D₂为铣削刀片6的有效切削直径，单位mm；n₁与n₂的旋转方向相反，从而使得切削刀具与回转工件间的相对切削线速度大幅提高，则该相对切削线速度V_C(单位：m/min)可表示为：

$V_C=\frac{\mathrm{\π}{D}_1{n}_1+\mathrm{\π}{D}_2{n}_2}{1000},$

电主轴的高速旋转要求与其相连接的切削功能部件(如单齿铣削刀柄2和工件5)的回转不平衡量非常小。因此，与传统切削线速度范围内的切削系统相比，具有超高切削线速度的切削功能部件必须经过严格地回转动平衡后方可使用。考虑到切削工件相比于刀具系统更便于进行动平衡，可以使工件4的旋转速度n₁适当高于单齿铣削刀柄7的旋转速度n₂，即使第一电主轴的转速适当高于第二电主轴转速。

目前，电主轴最高转速可超过55000r/min(功率和扭矩也要满足要求)，选用最高转速为42000r/min的电主轴作为本发明中的第一电主轴，选用最高转速24000r/min的电主轴作为本发明中的第二电主轴，当铣削刀片3的有效切削直径为160mm时，采用本发明的端面超高速铣削功能，最高切削线速度可达到：

$V_{C-\max }=\frac{\mathrm{\π}*160*(42000+24000)}{1000}m/\min =33158.4m/\min$

为保证电主轴的工作寿命和负载运转等因素，在切削过程采用80％或60％的最高电主轴转速，则采用本发明的切削装置的端面超高速铣削功能，最高切削线速度可表示为：

$V_{C-\max -80\%}=\frac{\mathrm{\π}*160*0.8*(42000+24000)}{1000}m/\min =26526.72m/\min ,$

$V_{C-\max -60\%}=\frac{\mathrm{\π}*160*0.6*(42000+24000)}{1000}m/\min =19895.04m/\min .$

同时，为避免切削冲击的影响，本发明的切削装置中，铣削刀柄采用“单齿、刀片立装”设计，单齿铣削刀柄7上装夹单个铣削刀片6，且铣削刀片6立式安装，见图1。“单齿”设计使得铣削刀片6在工件4上进行的切削加工过程为连续切削，有效降低切削冲击，提高切削过程的平稳性；同时铣削刀片6立式安装，因此电主轴在切削过程中不承受径向切削力，只承受轴向力和扭矩负载，可以有效避免径向切削力引起的切削振动。这样就不会产生多齿铣刀在高速断续切削时的切削冲击程度急剧增大、刀具快速磨损、崩刃以及工件表面加工质量急剧恶化、甚至造成电主轴损坏、威胁操作人员人身安全等问题。

由图1可知，本发明的切削装置具有五个工作轴，五个工作轴的运动分别为：1.车刀架移动台13两个水平方向的平移运动，分别定义为X轴方向平移运动和Y轴方向平移运动；2.第二电主轴移动台9沿X’轴的平移运动；4.第一电主轴2带动工件绕X’轴的旋转运动，该旋转轴定义为C1轴；3.第二电主轴8绕X’轴的旋转运动，该旋转轴定义为C2轴。通过不同的运动轴组合运动可以实现多种切削功能：

1.如图3所示，利用X’轴、C1轴、C2轴三个轴的组合运动和单齿铣削刀具可以实现对工件4的超高速端面铣削加工。

为保证工件4能够被铣削刀片6完整切削，需满足以下条件：

$\left[\begin{array}{c}\frac{D_1}{2}\≤R_2+\frac{L}{2}\\ \frac{D_1}{2}-H\≥R_2-\frac{L}{2}\end{array}\right]$

2.如图4所示，当将单齿铣削刀具更换为镗削刀具时，同样借助X’轴、C1轴、C2轴三个轴的组合运动可以实现对工件4的超高速内孔镗削加工；

3.如图5所示，利用X轴、Y轴和C1轴三个轴的组合运动和车削刀具可以实现对工件4的超高速外圆面车削加工。为了保证超高速车削工件4外圆面时的加工精度，车刀架12的高度需与工件4的轴线高度一致。工件4的旋转速度为n₁，工件4的外径尺寸为D₁，则采用本发明的外圆面超高速车削功能时切削线速度V_C(单位：m/min)可表达为：

$V_C=\frac{\mathrm{\π}{D}_1{n}_1}{1000}$

选用最高转速为42000r/min的电主轴作为本发明中的第一电主轴，当工件4的外径尺寸D₁为160mm时，采用本发明的切削装置的外圆面超高速车削功能，最高切削线速度可达到：

$V_{C-\max }=\frac{\mathrm{\π}*160*42000}{1000}m/\min =21100.8m/\min .$

为保证电主轴的工作寿命和负载运转等因素，在切削过程采用80％或60％的最高电主轴转速，采用本发明的切削装置的外圆面超高速车削功能，最高切削线速度可表示为：

$V_{C-\max -80\%}=\frac{\mathrm{\π}*160*0.8*42000}{1000}m/\min =16880.64m/\min ,$

$V_{C-\max -60\%}=\frac{\mathrm{\π}*160*0.6*42000}{1000}m/\min =12660.48m/\min .$

为避免电主轴内部高速旋转部件温升过快，在切削装置开始加工之前，或者主轴至少在1小时内没有旋转过时，应先对电主轴进行预热处理。预热处理的步骤为：当电主轴内部温度低于20℃时，主轴以最高转速的30％旋转2min预热；电主轴以最高转速的50％旋转2min预热；电主轴以最高转速的75％旋转2min预热。此外，每次上电后电主轴都需要预润滑10min，避免电主轴在无润滑油状态下旋转。

Claims (3)

1.一种具有超高切削线速度的多功能切削装置，包括第一电主轴、第一电主轴固定工作台、第二电主轴、第二电主轴移动工作台、车刀架、车刀架移动工作台和底座；其特征是：

第一电主轴固定工作台、第二电主轴移动工作台和车刀架移动工作台均设置在底座上，车刀架移动工作台位于第一电主轴固定工作台和第二电主轴移动工作台的前方，第一电主轴固定安装在第一电主轴固定工作台上，第一电主轴上安装有三爪卡盘；第二电主轴固定安装在第二电主轴移动工作台上，第二电主轴移动工作台带动第二电主轴纵向移动；第一电主轴和第二电主轴的轴线同轴且相对布置；车刀架移动工作台上安装有车刀架，车刀架移动工作台带动车刀架纵向和横向移动；

第二电主轴移动工作台是通过X’方向滚动导轨安装在底座上的，第二电主轴移动工作台与X’方向滚动导轨之间设置有X’方向螺母丝杠移动机构，X’方向螺母丝杠移动机构带动第二电主轴移动工作台实现沿X’方向的纵向移动；

车刀架移动工作台通过相互独立且相互垂直的X方向滚动导轨和Y方向滚动导轨安装在底座上的，Y方向滚动导轨安装在底座上，Y方向滚动导轨上安装有Y方向移动座，X方向滚动导轨设置在Y方向移动座上且与Y方向滚动导轨垂直，车刀架移动工作台安装在X方向滚动导轨上；Y方向滚动导轨与Y方向移动座之间设有Y方向螺母丝杠移动机构；X方向滚动导轨与车刀架移动工作台之间设有X方向螺母丝杆移动机构；Y方向螺母丝杠移动机构和X方向螺母丝杆移动机构带动车刀架移动工作台实现沿Y方向的横向运动和沿X方向的纵向移动。

2.根据权利要求1所述的具有超高切削线速度的多功能切削装置，其特征是：所述第一电主轴和第二电主轴的前端轴承处均安装温度监测装置。

3.根据权利要求1所述的具有超高切削线速度的多功能切削装置，其特征是：所述底座的外围设置有安全防护罩。

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