CN103817807B - 晶体棒料加工半球罩的快速成型切割机 - Google Patents
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Abstract
一种晶体棒料加工半球罩的快速成型切割机，其特征是它包括：机架（1）；工具运动装置，它安装在机架（1）上并能带动成型加工工具（9）作90°范围的往复旋转运动；动力装置，该动力装置活动安装在机架（1）并能作相对于成型刀具方向的左右移动，晶体棒料安装在所述的动力装置上并能在其带动下作旋转运动；冷却循环系统，该冷却循环系统用于向加工部位提供冷却液。本发明结构简单实用，成本低廉，满足多种材料加工要求，应用广泛。
Description
技术领域
本发明涉及一种专用机床，尤其是一种晶体半球罩快速成型加工设备，具体地说是一种利用晶体棒料来加工半球罩的快速成型切割机。
背景技术
众所周知，晶体球罩尤其是高硬度的晶体材料例如蓝宝石（a-alumina，Al2O3）制成的球罩，由于其光学、力学、热学性能良好，在高马赫数导弹整流罩、透明装甲、潜艇窗口以及高功率强激光等军用设备中具有十分重要的地位和作用。
原有球罩的加工工艺方法通常是将棒料安装在外圆磨床相应的夹具上，在磨床磨轮轴上安装金刚石磨轮，调整使金刚石磨轮边缘通过零件中心，边磨削边调整角度，凸弧面粗成型后反面粗磨凹弧面，再进行半精磨、精磨工序。此种加工方法存在加工效率低、多次装夹圆弧精度不易保证、坯料浪费严重等缺点。现有可避免传统球罩加工方式弊端的五轴联动光学加工机床价格十分昂贵，不适用于小批量生产以及经费不充裕的基础性科学研究。
发明内容
本发明的目的是针对现有的晶体半球罩加工效率不同，专用设备结构复杂，成本高的问题，设计一种简单易、适用于小批量生产的晶体棒料加工半球罩的快速成型切割机。
本发明的技术方案是：
一种晶体棒料加工半球罩的快速成型切割机，其特征是它包括：
一机架1；
一工具运动装置，它安装在机架1上并能带动成型加工工具9作90°范围的往复旋转运动；
一动力装置，该动力装置活动安装在机架1并能作相对于成型刀具方向的左右移动，晶体棒料安装在所述的动力装置上并能在其带动下作旋转运动；
一冷却循环系统，该冷却循环系统用于向加工部位提供冷却液。
本发明的切割机还包括测力装置、电控操作系统、冷却润滑循环系统，机架上平面右侧安装动力装置，电控操作系统、冷却循环系统分别位于机架之外左右两侧，晶体棒料装夹在动力装置前端的自定心三爪卡盘上，工具运动装置、动力装置均与电控操作系统连接。
所述的工具运动装置由驱动电机、同步带轮组、同步带、旋转支撑轴、传动块、电动旋转工具夹持机构、成型加工工具组成，驱动电机、旋转支撑轴安装在工具运动系统承载板之上，工具运动系统承载板安装在机架上，同步带轮组及同步带轮安装在工具运动装置承载板前端外侧，所述的传动块高度方向分别设有两个3/4圆弧凹槽，使其厚度方向的一侧与大直径同步带轮螺纹连接，厚度方向另一侧与电动旋转工具夹持机构通过固定夹套螺纹孔连接为一体，电动旋转工具夹持机构运动轨迹与大直径同步带轮一致，通过电控操作系统后台软件程序调节参数控制大直径同步带轮作90°往复摆动，摆动频率范围为1/30～1/10HZ,成型型加工工具自定心安装在电动旋转工具夹持部件上，成型加工工具工作时绕其圆柱后柄轴线做转速范围为1500～3000r/min的单向旋转，旋转支撑轴一端与大直径同步带轮通过键连接并由一轴承及轴承座固定在工具运动系统承载板上，另一端通过另一轴承和轴承座固定在工具运动系统承载板上，并且伸出所述另一端轴承座外。
所述的旋转支撑轴超出轴承座的长度竖直后端面长度L=4.5L’, L’为轴承座竖直后端面到工具运动系统承载板竖直后端面的距离；竖直后端面部分中心尺寸处的竖直方向上设有螺纹孔，螺旋孔上螺纹连接有涡流传感器式信号发生杆，在涡流传感器式信号发生杆相对应的位置处安装有两个成90°排列的信号次级接收传感器，传感器信号反馈给电控操作系统。
所述的机架上还安装有测力装置，测力装置上端与工具运动装置连接，下端与机架上平面左侧固定，所述的测力装置为带有上下安装板的三向测力仪，三向测力仪数据实时上传给上位机，上位机中自编程分析软件可直接显示加工过程中工件与工具相互作用力的大小、方向并进行系统控制与反馈。
所述的成型加工工具的基体为带圆柱状后柄的不锈钢半球壳，考虑装夹通用性，圆柱后柄直径为5～10mm，长度为30mm，为改善切削性能不锈钢半球壳最大直径截面磨削为整体圆弧面，圆弧直径r=d，d为不锈钢半球壳厚度，在该圆弧面上制备有一层织构可控的2mm厚的金刚石膜，该层制备的金刚石膜中的磨粒晶体形态、晶粒大小可通过制备参数的设定进行控制。
所述的成型加工工具在其刀头部分电解有便于提高切割效率的整体呈半抛物线形式的半圆弧槽，半圆弧槽圆弧直径r=（1/2000～1/2500）R,R为工具刀头基体最大外径。
所述的成型加工工具主体部分厚度为h，为保证刀具刚度及容屑性能，２mm≤h≤0.8H，H为工具刀头基体最大厚度。
在所述的成型加工工具与电动旋转工具夹持部件之间安装有伞型防护罩，该防护罩以ABS为基体并且涂覆有2mm厚无机聚合物防腐涂料。
动力装置包括动力源伺服电机，伺服电机与主轴头连接，主轴头通过法兰盘与三爪卡盘连接，伺服电机安装在移动滑台上，移动滑台外侧安装有微量进给手柄。
自定心三爪卡盘上安装有夹持架，夹持架内装夹有红外发射笔。
为配合解决切割球罩外圆弧去除根部问题，在机架工作台上前侧安装有可旋转锁紧弹簧三爪，在刀具加工外圆弧表面距离球心竖直尺寸为1/8球半径长度时，旋转并锁紧弹簧三爪与已加工好的内圆弧表面接触支撑。
在移支滑台固定部分安装有标尺，滑台外侧安装有微量进给手柄，在晶体棒料加工半球罩成型切割机上部设有冷却润滑循环系统，隔膜泵39、带过滤的储流槽40、引流管38组成冷却循环系统，引流管固定在引流管支撑架26、35上，具体操作参数的改变通过上位机21控制电控箱22中的电控系统实现。
本发明的有益效果：
本发明结构简单，价格低廉，通过成型切割工具一次成型，不需要改变装夹，大大提高了毛坯材料的利用率，节约原材料，生产率高，工作安全可靠，通过更换不同工具尺寸可以实现多尺寸不同晶体材料球罩成型，适用范围广，使用方便，通过电控操作系统参数实时可调，设备运行平稳，科学研究试验范围更广泛。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2为本发明的可控织构金刚石镀切割工具运行轨迹示意图。
图3 为本发明的传动块结构示意图。
图中，1机架，2连接螺栓，3三向测力仪，4小直径同步带轮，5传动块，6电动旋转工具夹持部件，7固定夹套，8伞型防护罩，9成型加工工具，10可旋转锁紧弹簧三爪，11液体回收槽，12标尺，13三爪卡盘，14夹持架，15法兰盘，16主轴头，17滑台，18动力系统承载板，19伺服电机，20微量进给手柄，21上位机，22电控箱，23连接螺栓，24连接螺栓，25红外发射笔，26引流管支撑架1，27轴承座1，28次级接收传感器，29涡流传感器式信号发生杆，30旋转支撑轴，31轴承座2，32大直径同步带轮，33连接螺钉，34同步带，35引流管支撑架2，36步进电机，37工具运动装置承载板，38引流管，39隔膜泵，40储流槽，41连接螺栓，42加工工具后柄，43刀头，44半圆弧槽，45传动块3/4圆弧凹槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-2所示。
如图1所示，一种晶体棒料加工半球罩的快速成型切割机，它包括机架1、电控箱22以及设置在机架1上依次连接的工具运动装置和动力装置，工具运动装置下面安装有三向测力仪3，三向测力仪3上端与工具运动装置连接，下端与机架上平面左侧固定，所述的三向测力仪3带有上下安装板，三向测力仪数据实时上传给上位机，上位机中自编程分析软件可直接显示加工过程中工件与工具相互作用力的大小、方向并进行系统控制与反馈。所述的工具运动装置安装在工具运动装置承载板37上，包括步进电机36，步进电机36输入端与电控箱22连接，步进电机36输出端与小直径同步带轮4连接，小直径同步带轮4通过同步带34与大直径同步带轮32连接，大直径同步带轮32内孔安装有旋转支撑轴30，旋转支撑轴30一侧设在与工具运动装置承载板37连成一体的轴承座31上，旋转支撑轴30超出轴承座竖直后端面部分中心尺寸处连接有涡流传感器式信号发生杆29，传动块5固定在大直径同步带轮带轮32另一侧，传动块5高度方向分别设有两个3/4圆弧凹槽，使其厚度方向的一侧与大直径同步带轮螺纹连接，厚度方向另一侧与电动旋转工具夹持机构通过固定夹套螺纹孔连接为一体，电动旋转工具夹持机构运动轨迹与大直径同步带轮一致，电控操作系统后台软件程序调节参数控制大直径同步带轮90°往复摆动，摆动频率范围为1/30～1/10HZ,加工工具自定心安装在电动旋转工具夹持部件上，加工工具工作时绕其圆柱后柄轴线做转速范围为1500～3000r/min的单向旋转，旋转支撑轴一端与大直径同步带轮通过键连接并由一轴承及轴承座固定在工具运动系统承载板上，另一端通过另一轴承轴承座固定在工具运动系统承载板上，并且固定后轴此端超出轴承座竖直后端面长度L=4.5L’, L’为轴承座竖直后端面到工具运动系统承载板竖直后端面的距离。传动块5与电动旋转工具夹持部件6通过固定夹套7连成一体，电动旋转工具夹持机构6前端安装成型加工工具9，成型加工工具9与电动旋转工具夹持部件6之间安装有伞型防护罩8，成型加工工具9正下方在机架1上安装有液体回收槽11，所述的动力系统，包括动力源伺服电机19，伺服电机19输入端与电控箱22连接，伺服电机19输出端与主轴头16连接，主轴头16通过法兰盘15与三爪卡盘13连接，三爪卡盘13位于初始位置时在其最上端安装有夹持架14，夹持架14内装夹有红外发射笔25，伺服电机19下部安装有移动滑台17，滑台17外侧安装有微量进给手柄20，滑台17固定部分安装有标尺，机架1上前侧安装有可旋转锁紧弹簧三爪10，晶体棒料加工半球罩成型切割机上部设有冷却润滑循环系统，隔膜泵39、带过滤的储流槽40、引流管38组成冷却循环系统，引流管固定在引流管支撑架26、35上，具体操作参数的改变通过上位机21控制电控箱22中的电控系统实现，如图1所示。成型加工工具如图2所示，成型加工工具的基体为带圆柱状后柄的不锈钢半球壳，考虑装夹通用性，圆柱后柄直径为5～10mm，长度为30mm，为改善切削性能不锈钢半球壳最大直径截面磨削为整体圆弧面，圆弧直径r=d，d为不锈钢半球壳厚度，在该圆弧面上制备有一层织构可控的2mm厚的金刚石膜，该层制备的金刚石膜中的磨粒晶体形态、晶粒大小可通过制备参数的设定进行控制。在成型加工工具的刀头部分电解有便于提高切割效率的整体呈半抛物线形式的半圆弧槽，半圆弧槽圆弧直径r=（1/2000～1/2500）R,R为工具刀头基体最大外径。成型加工工具的主体部分厚度为h，为保证刀具刚度及容屑性能，２mm≤h≤0.8H，H为工具刀头基体最大厚度。
加工之前用上位机21针对不同的加工或者试验参数的要求对电控箱22内的PLC微电脑系统进行编程控制，得到加工想要的工艺参数，安装在工具运动装置承载板37上的步进电机36带动小直径同步轮4转动，小直径同步轮4通过同步带34带动大直径同步带轮32转动，传动块5固定在大直径同步带轮32一侧，随大直径同步带轮32转动，通过控制步进电机的输出脉冲脉宽、周期和方向实现传动块5进行90°往复运动，在旋转支撑轴30超出轴承座竖直后端面部分中心尺寸处连接有涡流传感器式信号发生杆29，在引流管支撑架26上安装有两个成90°排列的信号次级接收传感器28，次级接收传感器28信号反馈给电控操作系统，确保传动块运行90°轨迹的准确性，安装在传动块上的电动旋转工具夹持机构6 运动轨迹与传动块一致，加工工具9安装在电动旋转工具夹持机构6上，并且加工工具刀头43最大直径圆弧平面圆心与大直径同步带轮32运动轴心对齐，电动旋转工具夹持机构6启动后带动加工工具9绕其后柄42的轴线自转，加工工具9与电动旋转工具夹持部件6之间安装有伞型防护罩8，可有效防止冷却液等对电动旋转工具夹持部件6的损伤，由此加工工具9可以完成如图2所示的切割运动轨迹，移动滑台17如图1所示的右侧方向滑动，操作三爪卡盘13进行工件安装，三爪卡盘13上安装有红外发射笔25，可保证工件安装直线精度，安装在动力装置承载板18上的伺服电机19启动后带动主轴头16旋转，主轴头16通过法兰盘15与三爪卡盘13连接，带动三爪卡盘13转动，被加工蓝宝石晶棒安装在三爪卡盘13上绕自身轴线旋转，隔膜泵39从储流槽40中抽取冷却液喷射到加工区域，冷却作用后的液体进入液体回收槽11中，液体回收槽11与储流槽40连通实现液体循环过滤供给，加工工具9上的刀头43与被加工蓝宝石晶棒相互作用，完成内圆弧表面的加工，更换加工工具9型号，转动滑台17外侧安装有微量进给手柄20，参照滑台17固定部分安装的标尺12，进给5-10mm，再次加工，为配合解决切割球罩外圆弧去除根部问题，在机架1工作台上前侧安装有可旋转锁紧弹簧三爪10，在刀具加工外圆弧表面距离球心竖直尺寸为1/8球半径长度时，旋转并锁紧弹簧三爪10与已加工好的内圆弧表面接触支撑，即可完成外圆弧表面的成型切割，由此完成蓝宝石球罩的粗加工，加工过程上位机中自编程分析软件可直接显示加工过程中工件与工具相互作用力的大小、方向并进行系统控制与反馈。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (9)
1.一种晶体棒料加工半球罩的快速成型切割机，它包括：
一机架（1）；
一工具运动装置，它安装在机架（1）上并能带动成型加工工具（9）作90°范围的往复旋转运动；
一动力装置，该动力装置活动安装在机架（1）上并能作相对于成型加工工具（9）左右移动，晶体棒料安装在所述的动力装置上并能在其带动下作旋转运动；
一冷却循环系统，该冷却循环系统用于向加工部位提供冷却液；
其特征是：
所述的工具运动装置由步进电机（36）、同步带轮组、同步带（34）、旋转支撑轴（30）、传动块（5）、电动旋转工具夹持机构（6）、成型加工工具（9）组成，同步带轮组由大直径同步带轮（32）和小直径同步带轮（4）组成，同步带（34）绕装在所述的大直径同步带轮和小直径同步带轮上，步进电机（36）、旋转支撑轴（30）安装在工具运动装置承载板（37）上，工具运动装置承载板（37）安装在机架（1）上，同步带轮组安装在工具运动装置承载板（37）前端外侧，所述的传动块（5）高度方向分别设有两个3/4圆弧凹槽（45），传动块（5）厚度方向的一侧与大直径同步带轮（32）螺纹连接，厚度方向另一侧与电动旋转工具夹持机构（6）通过固定夹套螺纹孔连接为一体，电动旋转工具夹持机构（6）的运动轨迹与大直径同步带轮一致，通过电控操作系统后台软件程序调节参数控制大直径同步带轮作90°往复摆动，摆动频率范围为1/30～1/10HZ,成型加工工具自定心安装在电动旋转工具夹持机构上，成型加工工具工作时绕其圆柱后柄轴线作转速范围为1500～3000r/min的单向旋转，旋转支撑轴（30）的一端与大直径同步带轮（32）通过键连接并由第一轴承及第一轴承座固定在工具运动装置承载板（37）上，另一端通过第二轴承和第二轴承座固定在工具运动装置承载板（37）上，旋转支撑轴（30）伸出第二轴承和第二轴承座外。
2. 根据权利要求1所述的晶体棒料加工半球罩的快速成型切割机，其特征是所述的旋转支撑轴（30）超出第二轴承座的长度L=4.5L’, L’为第二轴承座竖直后端面到工具运动装置承载板（37）竖直后端面的距离；工具运动装置承载板（37）竖直后端面中心尺寸处设有螺纹孔，螺纹孔上螺纹连接有涡流传感器式信号发生杆，在涡流传感器式信号发生杆相对应的位置处安装有两个成90°排列的信号次级接收传感器。
3.根据权利要求1所述的晶体棒料加工半球罩的快速成型切割机，其特征是所述的机架上还安装有测力装置，测力装置上端与工具运动装置连接，下端与机架上平面左侧固定，所述的测力装置为带有上下安装板的三向测力仪。
4.根据权利要求1所述的晶体棒料加工半球罩的快速成型切割机，其特征是所述的成型加工工具的基体为带圆柱状后柄的不锈钢半球壳，不锈钢半球壳最大直径截面磨削为整体圆弧面，圆弧直径等于d，d为不锈钢半球壳厚度，在该圆弧面上制备有一层织构可控的金刚石膜。
5.根据权利要求1所述的晶体棒料加工半球罩的快速成型切割机，其特征是所述的成型加工工具在其刀头部分电解有便于提高切割效率的整体呈半抛物线形式的半圆弧槽，半圆弧槽圆弧直径等于1/2500～1/2000R，R为工具刀头基体最大外径。
6.根据权利要求1所述的晶体棒料加工半球罩的快速成型切割机，其特征是所述的成型加工工具主体部分厚度为h，为保证刀具刚度及容屑性能，２mm≤h≤0.8H，H为工具刀头基体最大厚度。
7.根据权利要求1所述的晶体棒料加工半球罩的快速成型切割机，其特征是在所述的成型加工工具与电动旋转工具夹持机构之间安装有伞型防护罩，该防护罩以ABS为基体并且涂覆有无机聚合物防腐涂料。
8.根据权利要求1所述的晶体棒料加工半球罩的快速成型切割机，其特征是所述的动力装置包括动力源伺服电机，伺服电机与主轴头连接，主轴头通过法兰盘与三爪卡盘连接，伺服电机安装在移动滑台上，移动滑台外侧安装有微量进给手柄。
9.根据权利要求8所述的晶体棒料加工半球罩的快速成型切割机，其特征是所述的三爪卡盘上安装有夹持架，夹持架内装夹有红外发射笔；在机架上前侧安装有可旋转锁紧弹簧三爪，以便在刀具加工外圆弧表面距离球心竖直尺寸为1/8球半径长度时，旋转并锁紧弹簧三爪与已加工好的内圆弧表面接触支撑。
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