CN103600128B - 一种利用环状可拆分工具加工工件内表面的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种利用环状可拆分工具加工工件内表面的装置，该装置由机床立柱（1）、机床底座（0）组成机床床身，机床床身上连接有垂直进给运动单元（2），环状工具驱动动力头（3）,工件旋转运动单元（4）,工件水平进给运动单元（5）,动力头开合单元（6）和动力头摆动运动单元（7）；一种利用环状可拆分工具加工工件内表面的方法，该方法包括5个步骤。本发明利用环状结构的相互贯穿结构和复杂的相对数控运动可采用大直径砂轮加工小直径的封闭或半封闭的内曲面，这样可以大幅度提高砂轮磨削速度和延长砂轮工作寿命，不仅可显著提高加工效率，还可降低加工成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用环状可拆分工具加工工件内表面的方法和装置，属于机械加工技术领域。
背景技术
在机械工程中，构成动联结或静联结都基本需要用到内封闭表面，如内圆柱面、内圆锥面、内齿轮面、内螺旋面、内花键面，这些表面的应用几乎与外表面一样普遍和广泛。在航空发动机行业，还有一些半封闭的表面，如安装叶片的涡轮盘榫槽，这种类型的表面目前几乎只能采用拉削加工方法，其设备昂贵、刀具数量多、成本高、准备周期长。由于受到固有思维方法的限制，前人基本默认这些内封闭表面或者半封闭表面都必须基本采用比其尺寸更小的工具加工，如加工内孔用内圆磨头、圆柱铣刀、加工内齿轮用齿轮插刀。但对于经过淬火的表面，磨削几乎是最合理的加工方法，如内齿轮的成形磨削加工等。但此时如果采用小尺寸砂轮，那么砂轮的旋转速度必须很高，且系统刚性也会很低。总之，采用小尺寸工具加工时，因为受到被加工对象内部空间的限制，其支撑系统的刚性一般都很差，因此切削力和磨削力就不能太大，而用砂轮加工时转速需要很高，参与磨削的磨料数量比较少，这些问题严重制约了一些重要内形面加工精度的提升、加工效率的提升和加工成本的降低。目前遇到的主要问题是，精密减速器的内齿轮一般只能采用插齿加工方法，常规磨削方法因成本高效率低而难以获得大面积推广，发动机涡轮盘榫头采用拉削方法加工，成本高且准备周期长，因此迫切需要发展先进的内表面先进加工技术和装备。
发明内容
(1)本发明一种利用环状可拆分工具加工工件内表面的方法，它是一种利用比工件内曲面尺寸大的旋转工具加工内表面的新方法，其要点是将工具制作成环状，并通过合理的结构设计可以使环状工具穿过工件并对其内表面进行加工。图1是本发明提出的利用环状可拆分工具加工工件内表面的方法的原理图。图中,工件和工具都具有环形结构，但不限定其截面为圆形，可以是包含圆形在内的所有其它形状，如多段折线组成的封闭形状、椭圆形状、折线和渐开线组成的折线形状等等。显然，这些形状可以用来加工多种内表面。如渐开线可以用来加工内齿轮，折线组合可以用来加工涡轮盘的榫槽。
本发明一种利用环状可拆分工具加工工件内表面的方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：依据待加工的盘形工件内表面的形状，按照成形法或展成法原理设计环状工具或砂轮的工作面(刀具切削刃或砂轮磨料最高点所在母线绕其自身轴线回转而成的表面)的母线形状.图6c、图7b中的工具工作面A的形状即是需要设计的工具的母线形状。当采用成形法加工时，该形状与被加工内曲线一致，当采用展成法加工时，A的母线可以是任意的可和被加工表面构成共轭运动关系的曲线。
步骤二：将环状工具设计成图6a、b、c所示的对开式结构，图7a、b所示的扇形结构，或图8所示的C形开口结构之一。其中对开结构是将环状工具分成基本对称但在结合面处具有斜面或其它结构表面的两半部分，二者可以分开和合并，容许工件与工具形成相互穿越的双环结构，如图1所示。其中的扇形结构是将工具分解成可以具有搭接部位可通过螺钉销钉等连接成一个整体的方式。其中的C形结构是将工具开一个缺口，容许工件从缺口中进入并形成图1所示的相互贯穿结构。前两种在轴承的约束下都具有完整的封闭构形，因此可以采用单点驱动，第三种方式即C型方式中工具不完整，因此需要采用两点以上的驱动点来保证运动的连续性。
步骤三：设计一种可实现环状工具和工件相互穿越的环状工具驱动动力头。
图4a、4b、4c分别是一种利用大尺寸空心扁平可拆分环状工具加工小直径零件内表面的环状工具驱动动力头的主视图、左视图和俯视图。图4a、4b、4c中，环状工具上部306通过左、右轴承319、320支撑于由件305、307、315、317组成的动力头上部壳体中，环状工具下部303通过左、右轴承319、320的下部滚动体支撑于由件301、302、325、326组成的动力头下部壳体中,上下两部分壳体可通过一对定位销311来确定其连接状态的相对位置关系，动力头上下部分各自壳体通过壳体连接螺钉328连接在一起，左、右导向板324、327通过滑板螺钉323连接于动力头开合单元6的工作台面上，用于控制动力头下部开合时能具有确定的运动位置和轨迹。环状工具主轴电机314通过齿形带传动系统313、334、333、332、331和齿轮传动系统330、329、321、322驱动环状工具的内齿轮使其做连续的速度可控的旋转运动。
步骤四：设计一种驱动被加工内齿轮做位置和速度可控运动的工件旋转运动单元。如图5a、5b所示是一种工件旋转运动单元的原理结构图。壳体底座401和壳体盖板402形成的密闭空间内安装有一对主动齿轮406和工件托盘齿轮408，其中主动齿轮406安装于伺服电机407的端部，工件托盘齿轮408支撑于轴承403之上，工件托盘齿轮408的内部正好与被加工齿轮的外直径相同或与用于将工件齿轮安装在工件托盘齿轮408内的夹具的外径相同，被加工工件齿轮404可用工件压板组405固定在工件托盘齿轮408之上并确保该位置的稳定性。
步骤五：设计一种具有4个自由度的内表面加工机床，如图3a、3b所示。图中包含一个垂直进给运动单元2、环状工具驱动动力头3、工件旋转运动单元4、工件水平进给运动单元5、动力头开合单元6、动力头摆动运动单元7等部分和一个用于支撑和连接以上各部分的机床底座0和机床立柱1。其中环状工具驱动动力头3用于驱动工具旋转，工件旋转运动单元4用于驱动工件按照给定运动规律做旋转运动或分度运动，动力头摆动运动单元7用于控制工具和工件之间的夹角，垂直进给运动单元2用于在加工直齿内表面时使工具一边旋转一边做沿工件轴线方向的进给运动，工件水平进给运动单元5用实现径向进给以控制内曲线的径向位置和形状。上述4个运动可以通过程序控制进行适当调整，因此该方法可以用于加工直齿内齿轮、斜齿内齿轮、齿形修形加工、其它内曲线加工等。其要点在于动力头开合单元6可以用于控制环状工具动力头3的上下两部分适时开合，即在安装和拆卸工件时蜗杆工具保持分开状态，如图6a所示，在加工齿轮时环状工具可以保持图6b所示的闭合状态。
采用上述方法，原则上可以加工复杂的内渐开线齿轮，也可以通过妥善设计环状工具加工其它周期性或非周期型内曲线曲面结构，如齿轮泵与马达等的内曲面等。所采用的传动方式除采用齿轮传动、齿形带传动外也可采用摩擦传动或钢带传动等，这样可以进一步消除传动间隙，提高加工精度。原则上，本发明提供的方法可以用于加工两端开口的长度不太长的所有内曲面结构乃至内方孔、内圆孔、内异形孔，可广泛应用于工具制造、齿轮制造、模具制造等领域。其中工具可以是砂轮、铣刀等。
(2)本发明一种利用环状可拆分工具加工工件内表面的装置，如图3a、3b所示。该装置由机床立柱1、机床底座0组成机床床身，机床床身上连接有垂直进给运动单元2，环状工具驱动动力头3,工件旋转运动单元4,工件水平进给运动单元5,动力头开合单元6,动力头摆动运动单元7等。
该机床立柱1、机床底座0是采用铸造或焊接工艺制作的箱式金属结构件；
该垂直进给运动单元2由垂直进给电机21、垂直进给联轴节22、垂直进给前轴承座组件23、垂直进给螺母24、垂直进给螺母座25、垂直进给丝杠26、垂直进给后轴承座组件27、直线导轨28、垂直进给工作台29组成，其之间的关系是：垂直进给丝杠26支撑于垂直进给前轴承座组件23、垂直进给后轴承座组件27上，垂直进给电机21的壳体固定于垂直进给前轴承座组件23的壳体上、其输出轴通过垂直进给联轴节22与垂直进给丝杠26连接，垂直进给螺母24支撑于垂直进给螺母座25上，后者固定于垂直进给工作台29一侧。工作时，垂直进给电机21通过垂直进给联轴节22驱动垂直进给丝杠26旋转，垂直进给丝杠26带动垂直进给螺母24上下运动，最终通过垂直进给螺母座25带动垂直进给工作台29上下运动。
该工件水平进给运动单元5由水平进给电机51、水平进给联轴节52、水平进给前轴承座组件53、水平进给螺母54、水平进给螺母座55、水平进给丝杠56、水平进给后轴承座组件57、直线导轨58、水平进给工作台59组成，其之间的关系是：水平进给丝杠56支撑于水平进给前轴承座组件53、水平进给后轴承座组件57上，水平进给电机51的壳体固定于水平进给前轴承座组件53的壳体上、其输出轴通过水平进给联轴节52与水平进给丝杠56连接，水平进给螺母54支撑于水平进给螺母座55上，后者固定于水平进给工作台59一侧。工作时，水平进给电机51通过水平进给联轴节52驱动水平进给丝杠56旋转，水平进给丝杠56带动水平进给螺母54左右运动，最终通过水平进给螺母座55带动水平进给工作台59左右运动。
在垂直进给运动单元的工作台29上安装有一动力头摆动运动单元7，它主要由一个力矩电机组成，也可以采用蜗轮蜗杆结构或其它类型的转台，其功能主要是带动环状工具驱动动力头3做摆动运动或调整获得环状工具和工件之间的夹角，因此其运动可以为联动运动的一部分，也可以作为调整运动。在只做调整运动的场合，该单元的结构可以采用人工或其它简单调整方式。
该环状工具驱动动力头3如图4a、b、c所示。图4a、4b、4c中，环状工具上部306通过左、右轴承319、320支撑于由件305、307、315、317组成的动力头上部壳体中，环状工具下部303通过左、右轴承319、320的下部滚动体支撑于由件301、302、325、326组成的动力头下部壳体中,上下两部分壳体可通过一对定位销311来确定其连接状态的相对位置关系，动力头上下部分各自壳体通过壳体连接螺钉328连接在一起，左、右导向板324、327通过滑板螺钉323连接于动力头开合单元6的工作台面上，用于控制动力头下部开合时能具有确定的运动位置和轨迹。环状工具主轴电机314通过齿形带传动系统313、334、333、332、331和齿轮传动系统330、329、321、322驱动蜗杆工具的内齿轮使其做连续的位置速度可控的旋转运动。
该工件旋转运动单元4如图5a、5b所示。壳体底座401和壳体盖板402形成的密闭空间内安装有一对主动齿轮406和工件托盘齿轮408，其中主动齿轮406安装于伺服电机407的端部，工件托盘齿轮408支撑于轴承403之上，工件托盘齿轮408的内部正好与被加工齿轮的外直径相同或与用于将工件齿轮安装在工件托盘齿轮408内的夹具的外径相同，被加工工件齿轮404可用工件压板组405固定在工件托盘齿轮408之上并确保该位置的稳定性。该单元的壳体连接于工件水平进给运动单元5的水平进给工作台59之上，可以随该工作台做左右方向的水平进给运动和快进快退运动。
该动力头开合单元6主要由图3a、图4a、图4b、图4c所示的气缸61、环状工具驱动动力头3中的定位销311、用于固定和放松左、右轴承319、320的滚动体压紧机构335-340以及左、右导向板324、327等组成。安装和拆卸工件时，活塞336、气缸活塞340通过滚珠压板335、338压住左、右轴承319、320的靠近开口处的滚动体，气缸61再驱动环状工具驱动动力头3的下部分(壳体连同环状工具下部303)向下运动，此时环状工具下部303和环状工具上部306随同其支撑轴承和壳体分开为下、上两部分，被加工工件齿轮404随同工件旋转运动单元4可以进入环状工具驱动动力头3内部，此后气缸61推动环状工具驱动动力头下部在左、右导向板324、327的约束下向上运动，并通过定位销311使上下两部分回归并保持正确的位置关系，此时放开活塞336、气缸活塞340使轴承滚动体处于自由运动状态。此时环状工具主轴电机314可以通过传动系统驱动环状工具下部303和环状工具上部306做连续旋转运动。应该说明的是，当采用滚动轴承时，环状工具在双面半圈滚道的约束下只能具有一个旋转运动自由度，因此此时两半环状工具并不一定要通过螺钉销钉连接在一起，但当将左、右轴承319、320换成滑动轴承后，如间隙太大则需要将其两半连接成一体。
加工内曲面时，先将被加工工件齿轮404安装在工件旋转运动单元4中，再利用动力头开合单元6将环状工具驱动动力头3分开，使工件进入到环状工具内部，合上动力头开合单元6后，环状工具下部303和环状工具上部306和被加工工件齿轮404构成相互贯通的关系。利用动力头摆动运动单元7调整和控制工具和工件之间的夹角。然后可利用工件水平进给运动单元5、垂直进给运动单元2与动力头摆动运动单元7、工件旋转运动单元4等的四个运动单元在数控程序控制下进行复杂内曲线加工。加工完成后再利用动力头开合单元6打开环状工具驱动动力头3，拆卸下加工好的工件，然后可进入下一个工作循环。应该说明的是，在内曲线形状非常复杂时也可以增加横向运动单元构成五轴联动系统，当然也可以将环状工具驱动动力头3和工件旋转运动单元4与其它各种机床结构组合形成3-6轴的多种机床结构，用于加工复杂的内表面形状。
(3)优点及功效：本发明一种利用环状可拆分工具加工工件内表面的方法和装置，其优点是1)利用环状结构的相互贯穿结构和复杂的相对数控运动可采用大直径砂轮加工小直径的封闭或半封闭的内曲面，这样可以大幅度提高砂轮磨削速度和延长砂轮工作寿命，不仅可显著提高加工效率，还可降低加工成本；2)可解决传统内表面拉削不适应加工淬火表面或小批量生产问题、小砂轮磨削效率低成本高问题等。
附图说明
图1环状工具加工工件内曲面的原理示意图；
图2a大直径环状工具加工内封闭曲面的原理图主视图；
图2b大直径环状工具加工内封闭曲面的原理图左视图；
图2c大直径环状工具加工内封闭曲面的原理图俯视图；
图3a大直径可拆分环状工具加工内封闭曲面装置的主视图；
图3b大直径可拆分环状工具加工内封闭曲面装置的俯视图；
图4a环状工具驱动动力头的主视图；
图4b环状工具驱动动力头的左视图；
图4c环状工具驱动动力头的俯视图；
图5a工件旋转运动单元的主视图；
图5b工件旋转运动单元的俯视图；
图6a对开式大直径可拆分环状工具分开状态的主视图；
图6b对开式大直径可拆分环状工具工作状态的主视图；
图6c对开式大直径可拆分环状工具工作状态的左视图；
图7a扇形大直径可拆分环状工具工作状态的主视图；
图7b扇形大直径可拆分环状工具工作状态的左视图；
图8C形大直径环状工具工作状态的主视图；
图中符号说明如下:
01：内表面待加工的工件；02：可拆分式环状工具；R1:被加工内齿轮的节圆半径；R2：环状工具半径；C1:被加工内曲线；C2:环状工具的砂轮或刀具工作面；02s:可拆分式环状工具02的上半部分；02x：可拆分式环状工具02的下半部分。0：机床底座；1:机床立柱；2：垂直进给运动单元；3：环状工具驱动动力头；4：工件旋转运动单元；5：工件水平进给运动单元；6：动力头开合单元；61：气缸；7：动力头摆动运动单元；21：垂直进给电机；22：垂直进给联轴节；23:垂直进给前轴承组件；24：垂直进给螺母；25：垂直进给螺母座；26：垂直进给丝杠；27:垂直进给后轴承组件；28:直线导轨；29：垂直进给工作台；51：水平进给电机；52：水平进给联轴节；53:水平进给前轴承组件；54：水平进给螺母；55：水平进给螺母座；56：水平进给丝杠；57:水平进给后轴承组件；58:直线导轨；59：水平进给工作台；301:下中外壳体；302:下中内壳体；303：环状工具下部；305：上中内壳体；306：环状工具上部；307：上中外壳体；308：螺钉；309：电机调整座；310：调整螺钉；311：定位销；312：螺钉；313：齿形带传动壳体；314：环状工具主轴电机；315：右上壳体；316：中上外壳体；317：左上壳体；319：左轴承；320：右轴承；321：键；322：输出轴；323：滑板螺钉；324：左导向板；325：左下壳体；326：右下壳体；327：右导向板；328：壳体连接螺钉；329：输出齿轮；330：输出轴支撑座；331：从动齿形带轮；332：齿形带；333：主动齿形带轮；334：齿形带传动壳体盖板；335：滚珠压板；336：活塞；337：气缸端盖；338：滚珠压板；339：气缸端盖；340：气缸活塞；401；工件旋转运动单元壳体底座；402：工件旋转运动单元壳体盖板；403：工件旋转运动单元轴承；404：被加工工件齿轮；405：工件压板组；406：主动齿轮；407：工件旋转运动单元伺服电机；408：工件托盘齿轮；A:环状工具工作表面,滚刀刀齿切削刃或砂轮磨料所在的表面；B:密封面；C:滚道；D:驱动内齿轮齿面；
具体实施方式
本发明一种利用环状可拆分工具加工工件内表面的方法和装置。
其中包括一种利用环状可拆分工具加工工件内表面的方法，见图1、图2a、2b、2c。该方法具体步骤如下：
步骤一：依据待加工的盘形工件内表面的形状，按照成形法或展成法原理设计环状工具或砂轮的工作面(刀具切削刃或砂轮磨料最高点所在母线绕其自身轴线回转而成的表面)的母线形状.图6c图7b中的工具工作面A的形状即是需要设计的工具的母线形状。当采用成形法加工时，该形状与被加工内曲线一致，当采用展成法加工时，A的母线可以是任意的可和被加工表面构成共轭运动关系的曲线。
步骤二：将环状工具设计成图6a、b、c所示的对开式结构，图7a、b所示的扇形结构，或图8所示的C形开口结构之一。其中对开结构是将环状工具分成基本对称但在结合面处具有斜面或其它结构表面的两半部分，二者可以分开和合并，容许工件与工具形成相互穿越的双环结构，如图1所示。其中的扇形结构是将工具分解成可以具有搭接部位可通过螺钉销钉等连接成一个整体的方式。其中的C形结构是将工具开一个缺口，容许工件从缺口中进入并形成图1所示的相互贯穿结构。前两种在轴承的约束下都具有完整的封闭构形，因此可以采用单点驱动，第三种方式即C型方式中工具不完整，因此需要采用两点以上的驱动点来保证运动的连续性。
步骤三：设计一种可实现环状工具和工件相互穿越的环状工具驱动动力头3。
图4a、4b、4c分别是一种利用大尺寸空心扁平可拆分环状工具加工小直径零件内表面的环状工具驱动动力头的主视图、左视图和俯视图。图4a、4b、4c中，环状工具上部306通过左、右轴承319、320支撑于由件305、307、315、317组成的动力头上部壳体中，环状工具下部303通过轴承左、右319、320的下部滚动体支撑于由件301、302、325、326组成的动力头下部壳体中,上下两部分可通过一对定位销311来确定其连接状态的相对位置关系，动力头上下部分各自壳体通过壳体连接螺钉328中连接在一起，左、右导向板324、327通过滑板螺钉323连接于动力头开合单元6的工作台面上，用于控制动力头下部开合时能具有确定的运动位置和轨迹。环状工具主轴电机314通过齿形带传动系统313、334、333、332、331和齿轮传动系统330、329、321、322驱动环状工具的内齿轮使其做连续的速度可控的旋转运动。
步骤四：设计一种驱动被加工内齿轮做位置和速度可控运动的工件旋转运动单元4。如图5a、5b所示是一种工件旋转运动单元的原理结构图。壳体底座401和壳体盖板402形成的密闭空间内安装有一对主动齿轮406和工件托盘齿轮408，其中主动齿轮406安装于伺服电机407的端部，工件托盘齿轮408支撑于轴承403之上，工件托盘齿轮408的内部正好与被加工齿轮的外直径相同或与用于将工件齿轮安装在工件托盘齿轮408内的夹具的外径相同，被加工工件齿轮404可用工件压板组405固定在工件托盘齿轮408之上并确保该位置的稳定性。
步骤五：设计一种具有4个自由度的内表面加工机床，如图3a、3b所示。图中包含一个垂直进给运动单元2、环状工具驱动动力头3、工件旋转运动单元4、工件水平进给运动单元5、动力头开合单元6、动力头摆动运动单元7等部分和一个用于支撑和连接以上各部分的机床底座0和机床立柱1。其中环状工具驱动动力头3用于驱动工具旋转，工件旋转运动单元4用于驱动工件按照给定运动规律做旋转运动或分度运动，动力头摆动运动单元7用于控制工具和工件之间的夹角，垂直进给运动单元2用于在加工直齿内表面时使工具一边旋转一边做沿工件轴线方向的进给运动，工件水平进给运动单元5用实现径向进给以控制内曲线的径向位置和形状。上述4个运动可以通过程序控制进行适当调整，因此该方法可以用于加工直齿内齿轮、斜齿内齿轮、齿形修形加工、其它内曲线加工等。其要点在于动力头开合单元6可以用于控制环状工具驱动动力头3的上下两部分适时开合，即在安装和拆卸工件时蜗杆工具保持分开状态，如图6a所示，在加工齿轮时环状工具可以保持图6b所示的闭合状态。
其中，还包括一种利用环状可拆分工具加工工件内表面的装置，如图3a、3b所示。该装置由机床立柱1、机床底座0组成机床床身，机床床身上连接有垂直进给运动单元2，环状工具驱动动力头3,工件旋转运动单元4,工件水平进给运动单元5,动力头开合单元6,动力头摆动运动单元7等组成。
该机床立柱1、机床底座0是采用铸造或焊接工艺制作的箱式金属结构件；
该垂直进给运动单元2由垂直进给伺服电机21、垂直进给联轴节22、垂直进给前轴承座组件23、垂直进给螺母24、垂直进给螺母座25、垂直进给丝杠26、垂直进给后轴承座组件27、直线导轨28、垂直进给工作台29组成，其之间的关系是：垂直进给丝杠26支撑于垂直进给前轴承座组件23、垂直进给后轴承座组件27上，垂直进给伺服电机21的壳体固定于垂直进给前轴承座组件23的壳体上、其输出轴通过垂直进给联轴节22与垂直进给丝杠26连接，垂直进给螺母24支撑于垂直进给螺母座25上，后者固定于垂直进给工作台29一侧。工作时，垂直进给伺服电机21通过垂直进给联轴节22驱动垂直进给丝杠26旋转，垂直进给丝杠26带动垂直进给螺母24上下运动，最终通过垂直进给螺母座25带动垂直进给工作台29上下运动。
该水平进给运动单元5由水平进给电机51、水平进给联轴节52、水平进给前轴承座组件53、水平进给螺母54、水平进给螺母座55、水平进给丝杠56、水平进给后轴承座组件57、直线导轨58、水平进给工作台59组成，其之间的关系是：水平进给丝杠56支撑于水平进给前轴承座组件53、水平进给后轴承座组件57上，水平进给电机51的壳体固定于水平进给前轴承座组件53的壳体上、其输出轴通过水平进给联轴节52与水平进给丝杠56连接，水平进给螺母54支撑于水平进给螺母座55上，后者固定于水平进给工作台59一侧。工作时，水平进给电机51通过水平进给联轴节52驱动水平进给丝杠56旋转，水平进给丝杠56带动水平进给螺母54左右运动，最终通过水平进给螺母座55带动水平进给工作台59左右运动。
在垂直进给运动单元的工作台29上安装有一动力头摆动运动单元7，它主要由一个力矩电机组成，也可以采用蜗轮蜗杆结构或其它类型的转台，其功能主要是带动环状工具动力头3做摆动运动或调整获得环状工具和工件之间的夹角，因此其运动可以为联动运动的一部分，也可以作为调整运动。在只做调整运动的场合，该单元的结构可以采用人工或其它简单调整方式。
该环状工具驱动动力头3如图4a、b、c所示。图4a、4b、4c中，环状工具上部306通过左、右轴承319、320支撑于由件305、307、315、317组成的动力头上部壳体中，环状工具下部303通过左、右轴承319、320的下部滚动体支撑于由件301、302、325、326组成的动力头下部壳体中,上下两部分可通过一对定位销311来确定其连接状态的相对位置关系，动力头上下部分各自壳体通过壳体连接螺钉328连接在一起，左、右导向板324、327通过滑板螺钉323连接于动力头开合单元6的工作台面上，用于控制动力头下部开合时能具有确定的运动位置和轨迹。环状工具主轴电机314通过齿形带传动系统313、334、333、332、331和齿轮传动系统330、329、321、322驱动蜗杆工具的内齿轮使其做连续的位置速度可控的旋转运动。
该工件旋转运动单元4如图5a、5b所示。壳体底座401和壳体盖板402形成的密闭空间内安装有一对主动齿轮406和工件托盘齿轮408，其中主动406安装于伺服电机407的端部，工件托盘齿轮408支撑于轴承403之上，工件托盘齿轮408的内部正好与被加工齿轮的外直径相同或与用于将工件齿轮安装在工件托盘齿轮408内的夹具的外径相同，被加工工件齿轮404可用压板固定在工件托盘齿轮408之上并确保该位置的稳定性。该单元的壳体连接于工件水平进给运动单元5的工作台59之上，可以随该工作台做左右方向的水平进给运动和快进快退运动。
该动力头开合单元6主要由图3a、图4a、图4b、图4c所示的气缸61、环状工具驱动动力头3中的定位销311、用于固定和放松左、右轴承319、320的滚动体压紧机构335-340以及左、右导向板324、327等组成。安装和拆卸工件时，活塞336、气缸活塞340通过滚珠压板335、338压住左、右轴承319、320的靠近开口处的滚动体，气缸61再驱动环状工具驱动动力头3的下部分(壳体连同环状工具下部303)向下运动，此时环状工具下部303和环状工具上部306随同其支撑轴承和壳体分开为上下两部分，被加工工件齿轮404随同工件旋转运动单元4可以进入环状工具驱动动力头3内部，此后气缸61推动环状工具驱动动力头3下部在左、右导向板324、327的约束下向上运动，并通过定位销311使上下两部分回归并保持正确的位置关系，此时放开活塞336、气缸活塞340使轴承滚动体处于自由运动状态。此时环状工具主轴电机314可以通过传动系统驱动环状工具下部303和环状工具上部306做连续旋转运动。应该说明的是，当采用滚动轴承时，环状工具在双面半圈滚道的约束下只能具有一个旋转运动自由度，因此此时两半环状工具并不一定要通过螺钉销钉连接在一起，但当将左、右319、320换成滑动轴承后，如间隙太大则需要将其两半连接成一体。
加工内曲面时，先将被加工工件齿轮404安装在工件旋转运动单元4中，再利用动力头开合单元6将环状工具驱动动力头3分开，使工件进入到环状工具内部，合上动力头开合单元6后，环状工具下部303和环状工具上部306和被加工工件齿轮404构成相互贯通的关系。利用动力头摆动运动单元7调整和控制工具和工件之间的夹角。然后可利用工件水平进给运动单元5、垂直进给运动单元2与动力头摆动运动单元7、工件旋转运动单元4等的四个运动单元在数控程序控制下进行复杂内曲线加工。加工完成后再利用动力头开合单元6打开环状工具驱动动力头3，拆卸下加工好的工件，然后可进入下一个工作循环。应该说明的是，在内曲线形状非常复杂时也可以增加横向运动单元构成五轴联动系统，当然也可以将环状工具驱动动力头3和工件旋转运动单元4与其它各种机床结构组合形成3-6轴的多种机床结构，用于加工复杂的内表面形状。
Claims (2)
1.一种利用环状可拆分工具加工工件内表面的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤一：依据待加工的盘形工件内表面的形状，按照成形法或展成法设计环状工具的工作面的母线形状；当采用成形法加工时，该形状与被加工内曲线一致，当采用展成法加工时，其母线是任意的和被加工表面构成共轭运动关系的曲线；
步骤二：将环状工具设计成对开式结构、扇形结构或C形开口结构之一；其中对开式结构是将环状工具分成基本对称但在结合面处具有斜面或其它结构表面的两半部分，二者能分开和合并，容许工件与工具形成相互穿越的双环结构；其中的扇形结构是将工具分解成具有搭接部位可通过螺钉销钉连接成一个整体的方式；其中的C形结构是将工具开一个缺口，容许工件从缺口中进入的相互贯穿结构；前两种在轴承的约束下都具有完整的封闭构形，因此能采用单点驱动，第三种方式即C型方式中工具不完整，因此需要采用两点以上的驱动点来保证运动的连续性；
步骤三：设计一种能实现环状工具和工件相互穿越的环状工具驱动动力头；
环状工具上部(306)通过左轴承(319)和右轴承(320)支撑于由上中内壳体(305)、上中外壳体(307)、右上壳体(315)、左上壳体(317)组成的动力头上部壳体中，环状工具下部(303)通过左轴承(319)和右轴承(320)的下部滚动体支撑于由下中外壳体(301)、下中内壳体(302)、左下壳体(325)、右下壳体(326)组成的动力头下部壳体中,上下两部分壳体通过一对定位销(311)来确定其连接状态的相对位置关系，动力头上下部分各自壳体通过壳体连接螺钉(328)连接在一起，左导向板(324)和右导向板(327)通过滑板螺钉(323)连接于动力头开合单元(6)的工作台面上，用于控制动力头下部开合时能具有确定的运动位置和轨迹；环状工具主轴电机(314)通过齿形带传动壳体(313)、齿形带传动壳体盖板(334)、主动齿形带轮(333)、齿形带(332)、从动齿形带轮(331)和输出轴支撑座(330)、输出齿轮(329)、键(321)、输出轴(322)驱动环状工具的内齿轮使其做连续的速度可控的旋转运动；
步骤四：设计一种驱动被加工内齿轮做位置和速度可控运动的工件旋转运动单元；其壳体底座(401)和壳体盖板(402)形成的密闭空间内安装有一对主动齿轮(406)和工件托盘齿轮(408)，其中主动齿轮(406)安装于伺服电机(407)的端部，工件托盘齿轮(408)支撑于轴承(403)之上，工件托盘齿轮(408)的内部正好与被加工齿轮的外直径相同或与用于将工件齿轮安装在工件托盘齿轮(408)内的夹具的外径相同，被加工工件齿轮(404)用工件压板组(405)固定在工件托盘齿轮(408)之上并确保该位置的稳定性；
步骤五：设计一种具有4个自由度的内表面加工机床；该机床包含一个垂直进给运动单元(2)、环状工具驱动动力头(3)、工件旋转运动单元(4)、工件水平进给运动单元(5)、动力头开合单元(6)、动力头摆动运动单元(7)和一个用于支撑和连接以上各部分的机床底座(0)和机床立柱(1)；其中环状工具驱动动力头(3)用于驱动工具旋转，工件旋转运动单元(4)用于驱动工件按照给定运动规律做旋转运动或分度运动，动力头摆动运动单元(7)用于控制工具和工件之间的夹角，垂直进给运动单元(2)用于在加工直齿内表面时使工具一边旋转一边做沿工件轴线方向的进给运动，工件水平进给运动单元(5)用于实现径向进给，以控制内曲线的径向位置和形状；上述4个运动通过程序控制进行适当调整，因此该方法能用于加工直齿内齿轮、斜齿内齿轮、齿形修形加工和其它内曲线加工；其要点在于动力头开合单元(6)用于控制环状工具动力头(3)的上下两部分适时开合，即在安装和拆卸工件时环状工具保持分开状态，在加工齿轮时环状工具保持闭合状态。
2.一种利用环状可拆分工具加工工件内表面的装置，其特征在于：该装置由机床立柱(1)、机床底座(0)组成机床床身，机床床身上连接有垂直进给运动单元(2)，环状工具驱动动力头(3),工件旋转运动单元(4),工件水平进给运动单元(5),动力头开合单元(6)和动力头摆动运动单元(7)；
该机床立柱(1)、机床底座(0)是采用铸造或焊接工艺制作的箱式金属结构件；
该垂直进给运动单元(2)由垂直进给电机(21)、垂直进给联轴节(22)、垂直进给前轴承座组件(23)、垂直进给螺母(24)、垂直进给螺母座(25)、垂直进给丝杠(26)、垂直进给后轴承座组件(27)、直线导轨(28)、垂直进给工作台(29)组成；垂直进给丝杠(26)支撑于垂直进给前轴承座组件(23)、垂直进给后轴承座组件(27)上，垂直进给电机(21)的壳体固定于垂直进给前轴承座组件(23)的壳体上、其输出轴通过垂直进给联轴节(22)与垂直进给丝杠(26)连接，垂直进给螺母(24)支撑于垂直进给螺母座(25)上，后者固定于垂直进给工作台(29)一侧；工作时，垂直进给电机(21)通过垂直进给联轴节(22)驱动垂直进给丝杠(26)旋转，垂直进给丝杠(26)带动垂直进给螺母(24)上下运动，最终通过垂直进给螺母座(25)带动垂直进给工作台(29)上下运动；
该工件水平进给运动单元(5)由水平进给电机(51)、水平进给联轴节(52)、水平进给前轴承座组件(53)、水平进给螺母(54)、水平进给螺母座(55)、水平进给丝杠(56)、水平进给后轴承座组件(57)、直线导轨(58)、水平进给工作台(59)组成；水平进给丝杠(56)支撑于水平进给前轴承座组件(53)、水平进给后轴承座组件(57)上，水平进给电机(51)的壳体固定于水平进给前轴承座组件(53)的壳体上、其输出轴通过水平进给联轴节(52)与水平进给丝杠(56)连接，水平进给螺母(54)支撑于水平进给螺母座(55)上，后者固定于水平进给工作台(59)一侧；工作时，水平进给电机(51)通过水平进给联轴节(52)驱动水平进给丝杠(56)旋转，水平进给丝杠(56)带动水平进给螺母(54)左右运动，最终通过水平进给螺母座(55)带动水平进给工作台(59)左右运动；
在垂直进给运动单元的工作台(29)上安装有一动力头摆动运动单元(7)，它主要由一个力矩电机组成，也能采用蜗轮环状工具或其它类型的转台，其功能是带动环状工具驱动动力头(3)做摆动运动或调整获得环状工具和工件之间的夹角，因此其运动为联动运动的一部分，在只做调整运动的场合，该单元的结构采用人工或其它简单调整方式；
该环状工具驱动动力头(3)，其环状工具上部(306)通过左轴承(319)和右轴承(320)支撑于由上中内壳体(305)、上中外壳体(307)、右上壳体(315)、左上壳体(317)组成的动力头上部壳体中，环状工具下部(303)通过左轴承(319)和右轴承(320)的下部滚动体支撑于由下中外壳体(301)、下中内壳体(302)、左下壳体(325)、右下壳体(326)组成的动力头下部壳体中,上下两部分壳体通过一对定位销(311)来确定其连接状态的相对位置关系，动力头上下部分各自壳体通过壳体连接螺钉(328)连接在一起，左导向板(324)和右导向板(327)通过滑板螺钉(323)连接于动力头开合单元(6)的工作台面上，用于控制动力头下部开合时能具有确定的运动位置和轨迹；环状工具主轴电机(314)通过齿形带传动壳体(313)、齿形带传动壳体盖板(334)、主动齿形带轮(333)、齿形带(332)、从动齿形带轮(331)和输出轴支撑座(330)、输出齿轮(329)、键(321)、输出轴(322)驱动环状工具的内齿轮使其做连续的位置速度可控的旋转运动；
该工件旋转运动单元(4)，其壳体底座(401)和壳体盖板(402)形成的密闭空间内安装有一对主动齿轮(406)和工件托盘齿轮(408)，其中主动齿轮(406)安装于伺服电机(407)的端部，工件托盘齿轮(408)支撑于轴承(403)之上，工件托盘齿轮(408)的内部正好与被加工齿轮的外直径相同或与用于将工件齿轮安装在工件托盘齿轮(408)内的夹具的外径相同，被加工工件齿轮(404)用工件压板组(405)固定在工件托盘齿轮(408)之上并确保该位置的稳定性；该单元的壳体连接于工件水平进给运动单元(5)的水平进给工作台(59)之上，随该工作台做左右方向的水平进给运动和快进快退运动；
该动力头开合单元(6)由气缸(61)、环状工具驱动动力头(3)中的定位销311、用于固定和放松左轴承(319)和右轴承(320)的滚动体压紧机构以及左导向板(324)和右导向板(327)组成；安装和拆卸工件时，活塞(336)、气缸活塞(340)通过第一滚珠压板(335)和第二滚珠压板(338)压住左轴承(319)和右轴承(320)的靠近开口处的滚动体，气缸(61)再驱动环状工具驱动动力头(3)的下部分向下运动，此时环状工具下部(303)和环状工具上部(306)随同其支撑轴承和壳体分开为下、上两部分，被加工工件齿轮(404)随同工件旋转运动单元(4)进入环状工具驱动动力头(3)内部，此后气缸(61)推动环状工具驱动动力头下部在左导向板(324)和右导向板(327)的约束下向上运动，并通过定位销(311)使上下两部分回归并保持正确的位置关系，此时放开活塞(336)、气缸活塞(340)使轴承滚动体处于自由运动状态；此时环状工具主轴电机(314)通过传动系统驱动环状工具下部(303)和环状工具上部(306)做连续旋转运动；当采用滚动轴承时，环状工具在双面半圈滚道的约束下只能具有一个旋转运动自由度，因此此时两半环状工具并不一定要通过螺钉销钉连接在一起，但当将左轴承(319)和右轴承(320)换成滑动轴承后，如间隙太大则需要将其两半连接成一体。
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