CN102717308A - 一种用于盘铣刀刀片刃磨的数控工具磨床 - Google Patents

Abstract

一种用于盘铣刀刀片刃磨的数控工具磨床，其特征是包括包括床身（16）、立柱（7）、横向工作台、纵向工作台、数控回转工作台（12）、垂直进给拖板（8）、磨削电主轴（9），横向工作台和纵向工作台组成十字滑台结构装配在床身（16）上，数控回转工作台（12）倾斜装配在横向工作台上，待磨削的盘形铣刀安装在与数控回转工作台（12）固连的定位芯轴上。本发明采用多轴数控联动机床，机床运动精度高，可实现复杂曲面的磨削，满足盘形铣刀刃形的磨削，解决大型、小批量齿轮、螺杆、蜗杆等成形中的刀具问题。

Description

一种用于盘铣刀刀片刃磨的数控工具磨床

技术领域

本发明属于机械加工设备领域，特别涉及一种用于盘铣刀刀片刃磨的数控工具磨床。

背景技术

成形盘铣刀用于齿轮、螺杆等螺旋面成形铣削加工，由刀体、刀片和锁紧螺钉等组成，是一种常见的刀具。盘形铣刀常用的刀具材料有整体高速钢及硬质合金镶片两种，硬质合金镶片又可分为不重磨硬质合金刀片和可重磨硬质合金刀片。由于高速钢刀具切削线速度低（40m/min左右），导致加工效率和刀具耐用度都很低，目前一般不用于齿轮、螺杆等强力铣削的批量场合。

不重磨硬质合金刀片表面涂有一层极薄的碳化钛或氮化钛，可以降低刀体与工件切削表面之间的摩擦力，提高刀具的切削线速度（齿轮铣刀可达150m/min）、抗粘接性、耐磨性，全面提高刀具的耐用度，是目前使用最为广泛的一类刀具；但刀具表面涂层磨损后，重新涂镀很难恢复到新涂层的性能，往往只能整体报废。因此不重磨刀片适用于大量生产，刀具规格相对定型的场合，而对于刀具刃口形状经常需要变化的加工对象，因不重磨硬质合金刀片在涂镀以后无法由用户按自己需要的形状自行磨削修整而无法使用。

无涂层硬质合金刀具虽然在刀具耐用度、抗材料亲和力等方面低于涂层刀具，但其基体的硬度、红硬性、耐磨性等性能远高于高速钢；另一方面，由于可重磨硬质合金刀具没有涂层的制约，可以按照用户需要的形状进行磨削修整，使用比较灵活。因此，在大规格、小批量齿轮、螺杆等成形铣削时，利用可重磨硬质合金刀具可满足刀具型线经常变化的需要，是一种很好的铣削方案。成形盘铣刀的刀刃型线一般是利用无瞬心包络法根据工件端面截形逆向包络形成的，是非常复杂的离散曲线。

对于此类离散曲线组成的复杂刀刃形状，普通工具磨床难以加工，需要用多轴联动数控工具磨床配以专业软件方可进行磨削，此类高精度工具磨床的机床成很高。用数控工具磨床加工盘形铣刀还存在一个问题，盘形铣刀是由多个独立的刀片利用楔块分别安装在刀盘缺口中的，利用通用数控工具磨床难以对整个刀盘的所有刀片一次磨削完成，而是将每个刀片从刀盘上拆下后分别磨削，再装配到刀盘上，从而造成了刀刃二次装配误差，影响了刀盘的整体精度。

发明内容

为解决普通工具磨床无法磨削成形盘铣刀，而通用数控工具磨床存在成本高、刀片二次装配误差等技术问题，本发明提供了一种用于盘铣刀刀片刃磨的数控工具磨床。该工具磨床不仅具有结构简单、精度高、磨削效率高、制造成本很低等特点，而且能将装配好的盘铣刀片一次磨削成形，无刀盘二次装夹误差。

可重磨成形盘铣刀的刀片安装在盘形刀体上，刀片重磨包括对刀片刃形的修磨和刀片后刀面对修磨。为简化机床运动关系，重磨刀片通常采用零前角，因此对刃形的修磨可简化为二维曲线的磨削；为防止后刀面在切削过程中造成干涉，后角根据被切削材料、加工工序等因素进行合理的选取。

本发明针对成形盘铣刀磨削的特点，采用以下的技术方案：

一种用于盘铣刀刀片刃磨的数控工具磨床，包括包括床身16、立柱7、横向工作台、纵向工作台、数控回转工作台12、垂直进给拖板8、磨削电主轴9，横向工作台和纵向工作台组成十字滑台结构装配在床身16上，数控回转工作台12倾斜装配在横向工作台上，待磨削的盘形铣刀安装在与数控回转工作台12固连的定位芯轴上；立柱7置于床身16的后侧，立柱7正面导轨装配有垂直进给拖板8以及和垂直进给拖板8固连的磨削电主轴9，磨削电主轴9水平位置安装。

所述盘形铣刀由盘形刀体1、刀片定位螺钉2、硬质合金刀片3、锁紧楔块4、锁紧螺钉5组成，硬质合金刀片3装在盘形刀体1的刀槽内，并通过刀片定位螺钉2确定刀片在刀体上的安装位置；锁紧楔块4将硬质合金刀片3压在刀槽内，通过锁紧螺钉5锁紧楔块，使得刀片固定在刀槽中。

所述立柱7正面设有Z轴进给系统6，Z轴进给系统6包括Z轴直线导轨，垂直进给拖板8固定在Z轴进给系统6的Z轴直线导轨上，垂直进给拖板8内部的丝杠螺母座与Z轴进给系统6相连，由Z轴进给系统6的Z轴伺服电机驱动精密滚珠丝杠螺母副旋转，推动垂直进给拖板8作Z轴方向直线移动。在垂直进给拖板8上装配有磨削电主轴9，磨削电主轴9的轴线与X轴同向，利用电主轴前端的砂轮夹盘将砂轮10固定在磨削电主轴9上，实现砂轮旋转的主运动。

所述机床床身16通过机床垫铁和地脚螺钉将地基固定，机床床身16上设有X轴进给系统17，X轴进给系统17包括X轴方向直线导轨，在X轴直线导轨上固定有工作台进给滑座15，工作台进给滑座15下部的丝杠螺母座与X轴进给系统17相连，由X轴伺服电机驱动精密滚珠丝杠螺母副旋转，推动工作台进给滑座15作X轴方向直线移动。

所述工作台进给滑座15上设有Y轴进给系统14，Y轴进给系统14包括Y轴方向直线导轨，工作台13固定在Y轴直线导轨上，工作台13下部的丝杠螺母座与Y轴进给系统14相连，由Y轴伺服电机驱动精密滚珠丝杠螺母副旋转，推动工作台作Y轴方向直线移动。

工作台上有均布的T形槽，利用T形螺钉将数控回转工作台12固定在工作台13上，数控回转工作台倾斜布置以满足砂轮和工件的接触角度需要，并实现磨削盘形铣刀不同刀片的分度需要。数控转台中间设有一定位销，利用该定位销和盘形铣刀11上端面键槽实现刀盘的定位，确定待磨刀片和砂轮之间的空间几何关系。

进一步的方案是采用三个数控直线轴按两两正交的形式布置，组成笛卡尔坐标系，即X\Y\Z轴，实现刀具按固定法矢接近逼近直角坐标系内的任一点。三个直线轴均采用永磁交流伺服电机+精密滚珠丝杠+直线导轨的配置方式，以实现各轴的数字控制并提高各轴的定位精度和重复定位精度。

盘铣刀有多个周向均布的刀片，用倾斜安装在横向工作台上数控转台，实现盘铣刀磨削完成一个刀片后的分度动作；数控转台上由设有径向定位销和周向挡块，实现刀盘在机床直角坐标系内的定位，便于确定盘铣刀各个待磨刀刃与砂轮在机床坐标系中的关系。

床身后侧的立柱正面设有直线导轨，垂直拖板支撑在该直线导轨上，通过永磁交流伺服电机+精密滚珠丝杠实现高精度直线伺服驱动，满足磨削过程中砂轮在垂直方向的运动。磨削电主轴通过螺钉安装在垂直拖板上，电主轴轴线与垂直拖板垂直，与纵向工作台运动方向平行。电主轴端部通过砂轮夹盘装配有刚玉砂轮，用于磨削盘铣刀刀片。

本发明的优点和积极效果有：

本发明采用多轴数控联动机床，机床运动精度高，可实现复杂曲面的磨削，满足盘形铣刀刃形的磨削，解决大型、小批量齿轮、螺杆、蜗杆等成形中的刀具问题；

本发明配合型线计算软件，实现不同端面截形的螺旋面无瞬心包络铣削，特别方便地满足变位齿轮、修形齿轮、异形螺杆等复杂螺旋面的成形铣削；

本发明利用数控转台实现刀具的自动精准分度定位，盘形铣刀一次定位可以实现所有刃形的磨削，无须刀片的二次装夹，提高了刀具的精度，满足较高精度的螺旋面铣削；

本发明机床布局合理、结构简单、紧凑，相当于同类进口数控工具磨床价格的几分之一，具有很好的经济性。

附图说明

图1是本发明用于螺旋面无瞬心包络铣削的盘形铣刀的结构示意图。

图2是本发明的机床结构示意图。

图3是砂轮与盘形刀体相对位置示意图。

图中：1为盘形刀体；2为刀片定位螺钉；3为硬质合金刀片；4为锁紧楔块；5为锁紧螺钉；6为Z轴进给系统；7为立柱；8为垂直进给拖板；9为磨削电主轴；10为砂轮；11为盘形铣刀组件；12为数控回转工作台；13为工作台；14为Y轴进给系统；15为工作台进给滑座；16为床身；17为X轴进给系统。

具体实施方式

为进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，按以下实施例并配合附图说明如下：

一种用于盘铣刀刀片刃磨的数控工具磨床，包括包括床身16、立柱7、横向工作台、纵向工作台、数控回转工作台12、垂直进给拖板8、磨削电主轴9，横向工作台和纵向工作台组成十字滑台结构装配在床身16上，数控回转工作台12倾斜装配在横向工作台上，待磨削的盘形铣刀安装在与数控回转工作台12固连的定位芯轴上；立柱7置于床身16的后侧，立柱7正面导轨装配有垂直进给拖板8以及和垂直进给拖板8固连的磨削电主轴9，磨削电主轴9水平位置安装。便于砂轮与盘形铣刀之间保持适合磨削的角度。

图1中盘形铣刀由盘形刀体1、刀片定位螺钉2、硬质合金刀片3、锁紧楔块4、锁紧螺钉5组成，利用刀盘中间的孔与刀杆轴配合支撑刀具，端面键槽传递扭矩。实际使用时，将硬质合金刀片3装在盘形刀体1的刀槽内，并通过刀片定位螺钉2确定刀片在刀体上的安装位置；锁紧楔块4将硬质合金刀片3压在刀槽内，通过锁紧螺钉5锁紧楔块，使得刀片固定在刀槽中。

立柱7正面设有Z轴进给系统6，Z轴进给系统6包括Z轴直线导轨，垂直进给拖板8固定在Z轴进给系统6的Z轴直线导轨上，垂直进给拖板8内部的丝杠螺母座与Z轴进给系统6相连，由Z轴进给系统6的Z轴伺服电机驱动精密滚珠丝杠螺母副旋转，推动垂直进给拖板8作Z轴方向直线移动。在垂直进给拖板8上装配有磨削电主轴9，磨削电主轴9的轴线与X轴同向，利用电主轴前端的砂轮夹盘将砂轮10固定在磨削电主轴9上，实现砂轮旋转的主运动。

图2中机床床身16通过机床垫铁和地脚螺钉将地基固定，机床床身16上设有X轴进给系统17，X轴进给系统17包括X轴方向直线导轨，在X轴直线导轨上固定有工作台进给滑座15，工作台进给滑座15下部的丝杠螺母座与X轴进给系统17相连，由X轴伺服电机驱动精密滚珠丝杠螺母副旋转，推动工作台进给滑座15作X轴方向直线移动。

工作台进给滑座15上设有Y轴进给系统14，Y轴进给系统14包括Y轴方向直线导轨，工作台13固定在Y轴直线导轨上，工作台13下部的丝杠螺母座与Y轴进给系统14相连，由Y轴伺服电机驱动精密滚珠丝杠螺母副旋转，推动工作台作Y轴方向直线移动。

工作台上有均布的T形槽，利用T形螺钉将数控回转工作台12固定在工作台13上，数控回转工作台倾斜布置以满足砂轮和工件的接触角度需要，并实现磨削盘形铣刀不同刀片的分度需要。数控转台中间设有一定位销，利用该定位销和盘形铣刀11上端面键槽实现刀盘的定位，确定待磨刀片和砂轮之间的空间几何关系。

本发明的工作原理：

机床开机，X\Y\Z\C轴回参考点，建立机床坐标系。

将待磨的硬质合金刀片装配到刀盘上，再利用刀盘的内孔和端面键槽定位将刀盘整体安装到数控回转工作台上，建立起盘形铣刀在机床坐标系中的几何位置关系。松开电主轴9前端的砂轮夹盘，将CBN砂轮装配在磨削电主轴上。

将待磨削刀片的相关参数输入到专用的软件中，利用无瞬心逆向包络算法计算刀具与工件螺旋面的瞬时接触线，由瞬时接触线可求得砂轮轴截形的二维离散坐标表达形式。利用专用的后置处理软件将该离散坐标点转换到机床坐标系中，并利用刀具半径补偿算法将机床坐标系中的离散点阵偏置成CBN砂轮的刀位控制点。再利用G代码生成程序，将离散刀位点阵表示成机床数控系统能够识别的G代码程序组，并输入到机床数控系统中。

利用机床的自动运行模式，启动CBN砂轮旋转，并根据G代码程序实现X、Z两轴联动，利用G代码中的离散点位控制CBN砂轮运动轨迹，包络出刀刃的型线。每磨完一个刀片齿形后，转台自动分度至下一个刀片，再按上述程序完成下一个刀片的磨削。重复上述过程，直到磨完所有的刀片。

盘形铣刀刀片的前角一般取零度，因此刃形修磨是二维平面内的曲线；而刀片后角必须取正值，否则会发生切削干涉。刀片后角的大小往往依据被切削的材料，不同的加工工序等因素确定。为磨削出图3所示的刀片后角，需要将砂轮回转中心与刀具前刀面之间在Y轴方向偏移一段距离D，该偏移距离D的大小不同可实现不同后角a的磨削。本发明根据砂轮曲率关系推导出刀具后角与砂轮偏移距离之间的关系，利用机床Y轴的移动实现后角磨削。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。

Claims (5)

1.一种用于盘铣刀刀片刃磨的数控工具磨床，其特征是包括包括床身（16）、立柱（7）、横向工作台、纵向工作台、数控回转工作台（12）、垂直进给拖板（8）、磨削电主轴（9），横向工作台和纵向工作台组成十字滑台结构装配在床身（16）上，数控回转工作台（12）倾斜装配在横向工作台上，待磨削的盘形铣刀安装在与数控回转工作台（12）固连的定位芯轴上；立柱（7）置于床身（16）的后侧，立柱（7）正面导轨装配有垂直进给拖板（8）以及和垂直进给拖板（8）固连的磨削电主轴（9），磨削电主轴（9）水平位置安装。

2.根据权利要求1所述的用于盘铣刀刀片刃磨的数控工具磨床，其特征在于所述盘形铣刀由盘形刀体（1）、刀片定位螺钉（2）、硬质合金刀片（3）、锁紧楔块（4）、锁紧螺钉（5）组成，硬质合金刀片（3）装在盘形刀体（1）的刀槽内，并通过刀片定位螺钉（2）确定刀片在刀体上的安装位置；锁紧楔块（4）将硬质合金刀片（3）压在刀槽内，通过锁紧螺钉（5）锁紧楔块，使得刀片固定在刀槽中。

3.根据权利要求1所述的用于盘铣刀刀片刃磨的数控工具磨床，其特征在于所述立柱（7）正面设有Z轴进给系统（6），Z轴进给系统（6）包括Z轴直线导轨，垂直进给拖板（8）固定在Z轴进给系统（6）的Z轴直线导轨上，垂直进给拖板（8）内部的丝杠螺母座与Z轴进给系统（6）相连，由Z轴进给系统（6）的Z轴伺服电机驱动精密滚珠丝杠螺母副旋转，推动垂直进给拖板（8）作Z轴方向直线移动。在垂直进给拖板（8）上装配有磨削电主轴（9），磨削电主轴（9）的轴线与X轴同向，利用电主轴前端的砂轮夹盘将砂轮（10）固定在磨削电主轴（9）上，实现砂轮旋转的主运动。

4.根据权利要求1所述的用于盘铣刀刀片刃磨的数控工具磨床，其特征在于所述机床床身（16）通过机床垫铁和地脚螺钉将地基固定，机床床身（16）上设有X轴进给系统（17），X轴进给系统（17）包括X轴方向直线导轨，在X轴直线导轨上固定有工作台进给滑座（15），工作台进给滑座（15）下部的丝杠螺母座与X轴进给系统（17）相连，由X轴伺服电机驱动精密滚珠丝杠螺母副旋转，推动工作台进给滑座（15）作X轴方向直线移动。

5.根据权利要求1所述的用于盘铣刀刀片刃磨的数控工具磨床，其特征在于所述工作台进给滑座（15）上设有Y轴进给系统（14），Y轴进给系统（14）包括Y轴方向直线导轨，工作台（13）固定在Y轴直线导轨上，工作台（13）下部的丝杠螺母座与Y轴进给系统（14）相连，由Y轴伺服电机驱动精密滚珠丝杠螺母副旋转，推动工作台作Y轴方向直线移动。

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