CN104070184A - 非圆活塞多功能专用数控车床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了非圆活塞多功能专用数控车床，包括：床身；立柱；Z轴滑轨；Z轴伺服电机，其与Z轴丝杠的相连；滑鞍，其与Z轴丝杠的丝杠母相连，其中，在滑鞍上沿水平方向设置两平行的X轴滑轨，在X轴滑轨上设置滑板，滑板背面与X轴丝杠的丝杠母相连，在滑板正面一侧设置动力刀盘，其上安装动力刀具，在滑板正面另一侧设置雕铣电主轴，其上安装铣刀，在滑鞍上还设置X轴伺服电机，其与X轴丝杠相连；主轴，在主轴上设置编码器；主轴伺服电机，其设置于床身上，驱动主轴转动；和尾座，通过尾座架设置于立柱上，位于主轴上方，其中心轴线与主轴的中心轴线重合，其中，主轴转角与滑板位移联动，主轴转角与滑鞍位移联动。

Description

非圆活塞多功能专用数控车床

技术领域

本发明涉及数控车床，特别涉及用于制备非圆活塞的非圆活塞多功能专用数控车床。

背景技术

活塞是汽车、摩托车和机车等交通工具的内燃机中的关键零件，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。随着整车对发动机的动力性、经济性、环保性及可靠性的要求越来越严格，活塞已发展成为集异型外圆复合型面、异型销孔等多项新技术于一体的高技术含量的产品。

活塞外轮廓面的新特点对其加工机床也提出了新的要求，即不仅要求机床具有良好的定位精度和动态跟踪性能，而且要有足够的动静态刚度和通用性能。针对活塞外圆加工的新特点，有必要开发一种多功能的数控车床，完成活塞外圆、端面及环槽的加工。

目前，针对非圆柱面加工国内外均采用靠模或控制系统的特殊功能来完成，靠模加工需要预先制作精度较高的模具，在使用过程中由于模具的制造误差会影响加工精度，同时，模具磨损较快，也会影响加工精度和使用寿命，如果采用具有特殊功能的数控系统来完成，这种系统很复杂，制造成本高。并且直接控制的X轴（横向）的伺服电机它需要“高频响应”才能作用在刀具上，由于系统误差会反映到刀具上，从而影响加工精度，因此难以得到推广和应用。

随着发动机技术的发展，对活塞的技术要求越来越高，从外圆的正圆截面到现在的裙部外圆、头部外圆不同形状截面以满足发动机各种性能的要求，加工非圆活塞的设备也各有不同。主要有以下三种方式：

1、机械合成加工。此类设备有套车加工、偏心车加工、椭圆磨床加工和椭圆车床加工。前三种只能加工桶形和锥形的活塞外圆，使用的较少。椭圆车床也因其传动链长达不到工序系数的要求，非标准截面活塞加工须制造不同的凸轮，也不能加工活塞头部椭圆，更不能加工其它工序。

2、靠模仿形加工。此加工法，先制作与活塞形状相同或相同倍数的靠模。靠模制作工艺复杂、时间长、难度大、成本高、易磨损，不同型号的活塞需重新设计制作不同靠模，加工精度也不高，只能加工精车外圆一道工序。

3、数控加工。此法通过将活塞外形截面的数据输入计算机，由计算机控制直线电机使刀具的微量位移来实现加工活塞外圆形状，称为“软靠模”。这种方法的缺点是直线电机的电磁力小，刀具运动的刚性差，对于椭圆度大和中凸缩减量大的活塞加工精度较差，特别是非连续活塞外圆加工更差、响应频率低、刀架磨损快、使用寿命较短。

我国清华大学、浙江大学、山东大学和国防科技大学在研究、试制和生产，但生产效率不高。国外先进活塞生产厂家，精加工外圆设备与国内基本相似，也是靠模仿形加工和数控加工，但以数控加工为主。英国ae集团、美国cress公司、德国mahel公司的数控加工设备与国防科技大学相比，原理上基本相同，虽然直线电机的电磁力稍大，刚性稍好，但也存在直线电机刚性差的问题。

现有专利中记载的一些加工非圆活塞的机床，如中国专利申请CN200820014703.X、CN200410050459.9中所述车床，这类车床可以用于加工非圆活塞，然而这类机床均是采用卧式车身，当非圆活塞质量较重时，卧式机床加工活塞时容易脱落。

由于卧式机床存在的缺点，人们设计出可以用于加工非圆活塞的立式机床，如中国专利申请CN201020301135.9所述立式数控机床，这类机床提高了加工效率，然而这种机床同样存在不足之处，这类机床的主轴不能旋转，即当这种机床加工活塞时，活塞不能沿着圆周运动，这种机床加工的方式为铣削，因此加工方式单一、这样为活塞的加工带来了不便，并且这种车床机构复杂。

综上所述，现存的一些加工活塞的机床存在一些问题，主要为以下问题：

第一、常用的加工技术难以满足日益多样化的活塞种类：机械合成加工的工艺复杂难度大、加工零件种类单一；靠模仿形加工的方式时间长，成本高、精度差；软靠模数控加工方式由于直线电机的电磁力小进而产生的精度差、质量差。

第二、卧式车床加工的活塞受到质量的限制；立式车床加工的活塞的加工方式为铣削一种，加工方式单一、不灵活。

为了解决以上问题，本发明人对现有机床结构和非圆活塞的结构进行了研究和分析，并对现有机床进行了改进，以便能制作出便捷、快速、精确制作非圆活塞、同时还具有成本低、稳定性强、加工方式多样的非圆活塞多功能专用数控车床。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：通过在床身顶部设置立柱、立柱前方的主轴和主轴伺服电机，在主轴上设置编码器，所述主轴通过主轴伺服电机驱动；在立柱的前表面设置两条竖直平行的Z轴滑轨，在立柱前表面的顶端设置竖直的Z轴伺服电机，Z轴伺服电机与Z轴丝杠相连，Z轴丝杠的丝杠母与滑鞍的背面相连；在滑鞍的正面设置两条平行的X轴滑道，在滑鞍正面的右侧设置水平的X轴伺服电机，所述X轴伺服电机与X轴丝杠相连，X轴丝杠的丝杠母与滑板的背面相连；在滑板正面的左下方设置水平的雕铣电主轴，在滑板正面的右侧设置动力刀盘，在雕铣电主轴和动力刀盘上分别安装铣刀和动力刀具；尾座通过尾座架与立柱的顶端相连。从而完成了本发明。

本发明的目的在于提供以下方面：

（1）非圆活塞多功能专用数控车床，其特征在于，该数控机床包括：

床身1；

立柱5，其竖直地设置在床身上；

两条平行的Z轴滑轨15，其竖直设置于立柱前表面上；

Z轴伺服电机13，与Z轴丝杠相连，Z轴丝杠通过两端的轴承安装在立柱前表面，Z轴丝杠的丝杠母安装在滑鞍上；

滑鞍，设置于Z轴滑轨上，其与Z轴丝杠的丝杠母相连，其中，在滑鞍上沿水平方向设置两平行的X轴滑轨16，在X轴滑轨16上设置滑板，滑板背面与X轴丝杠的丝杠母相连，在滑板正面一侧设置动力刀盘22，其上安装动力刀具，在滑板正面另一侧设置雕铣电主轴，其上安装铣刀，在滑鞍上还设置X轴伺服电机14，其与X轴丝杠18相连；

主轴2，其设置于床身上、立柱的前方，其与立柱的前表面相对，在主轴上设置编码器，编码器用于对主轴的进给和雕铣电主轴21的轴向进给进行匹配；

主轴伺服电机6，其设置于床身上，驱动主轴转动；和

尾座4，通过尾座架设置于立柱上，位于主轴上方，其中心轴线与主轴的中心轴线重合，

其中，主轴转角与滑板位移联动，主轴转角与滑鞍位移联动。

（2）如上述（1）所述的非圆活塞多功能专用数控车床，其特征在于，

所述主轴，其顶部设置工装和拉杆，用于夹持被加工活塞工件，

其前端设置拉环，

其后端设置活塞销与旋转气缸。

（3）如上述（1）所述的非圆活塞多功能专用数控车床，其特征在于，尾座的底端设置气缸4a，气缸的底端设置轴承，轴承的底端设置平头顶尖4b，稳固地抵接被加工活塞顶端，以夹紧被加工活塞。

（4）如上述（1）所述的非圆活塞多功能专用数控车床，其特征在于，铣刀对被加工活塞进行高速铣削，其铣削速度大于400m/min。

（5）如上述（1）所述的非圆活塞多功能专用数控车床，其特征在于，所述动力刀具包括：端面车刀、外圆粗车车刀、外圆精车车刀、活塞环切刀、刮油环切刀。

（6）如上述（1）所述的非圆活塞多功能专用数控车床，其特征在于，该数控车床的工作过程为：

第一、将被加工活塞安装在工装上，通过主轴后面的旋转气缸、主轴轴线的拉杆、前面的拉环、加工用的活塞销将活塞拉紧固定在工装上；

第二、开动主轴伺服电机，主轴旋转带动被加工活塞旋转，其转速设为1200-2000r/min；

第三、转动动力刀盘，将端面车刀调整到被加工活塞端面外侧，给进车削被加工活塞端面，加工后退刀；

第四、尾座气缸给气，尾座的平头顶尖向下运动压紧在被加工活塞的顶端面上；

第五、转动动力刀盘，将外圆粗车车刀调整到被加工活塞端面外侧，给进滑鞍，粗车被加工活塞外圆，加工后退刀；

第六、转动动力刀盘，将外圆精车车刀调整到被加工活塞端面外侧，给进滑鞍，精车被加工活塞外圆，加工后退刀；

第七、转动动力刀盘，将活塞环切刀调整到被加工活塞环位置，给进滑板，车被加工活塞沟，加工后退刀；

第八、转动动力刀盘，将刮油环切刀调整到被加工活塞的刮油环位置，给进滑板，车刮油环沟，加工后退刀；

第九、将雕铣电主轴上的铣刀头调整到被加工活塞端面上外侧，将主轴转速调整到100-150r/min，开动雕铣电主轴，将铣刀的转速设为1200-2000r/min，滑板按指令微动0.02mm、滑鞍由顶端向下运动完成非圆铣削。

根据本发明提供的非圆活塞多功能专用数控车床，具有精度高、加工时间短、便捷、加工活塞的质量好、加工活塞的种类多等特点，具体有如下特点：

第一、本发明通过编码器对主轴转角与滑板位移联动，主轴转角与滑鞍位移联动，进而提高了该车床的能动性和加工效率；

第二、通过X轴丝杠和Z轴丝杠将相应伺服电机的轴向转动力转换为沿X轴或Z轴直线方向的力，解决了直线电机的电磁力小进而产生的精度差、质量差等问题；

第三、所述车床的立式结构增加了加工活塞的种类，通过设置铣刀和动力刀具两种刀具，增加了刀具的种类，增大了该车床的灵活性；

第四、该车床通过铣刀高速的铣削，即“旋风铣”，可以提高了加工效率。

附图说明

图1示出根据本发明优选实施方式的非圆活塞多功能专用数控车床的结构示意图；

图2示出根据本发明优选实施方式的非圆活塞多功能专用数控车床的右视图；

图3示出根据本发明优选实施方式的非圆活塞多功能专用数控车床的俯视图；

图4示出根据本发明优选实施方式的非圆活塞多功能专用数控车床的侧视图；

图5示出根据本发明优选实施方式的非圆活塞多功能专用数控车床中尾座的结构示意图。

附图标号说明：

1-床身

2-主轴

4-尾座

4a-气缸

4b-平头顶尖

5-立柱

6-主轴伺服电机

11-滑板

12-滑鞍

13-Z轴伺服电机

14-X轴伺服电机

15-Z轴滑轨

16-X轴滑轨

17-Z轴丝杠

18-X轴丝杠

21-雕铣电主轴

22-动力刀盘

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1-4中所示，提供一种用于加工非圆活塞的非圆活塞多功能专用数控车床，该数控机床包括：

床身1以及

立柱5，其竖直的设置在床身上，

主轴2，其设置于床身上、立柱的前方，其与立柱的前表面相对，在主轴上设置编码器，编码器用于对主轴的进给和雕铣电主轴的轴向进给进行匹配，

主轴伺服电机6，其设置于床身上，其驱动主轴旋转，

两条平行的Z轴滑轨，其竖直设置于立柱前表面上，

Z轴伺服电机13，与Z轴丝杠相连，Z轴丝杠通过两端的轴承安装在立柱前表面，Z轴丝杠的丝杠母安装在滑鞍上，Z轴伺服电机转可带动丝杠母、滑鞍上下运动，

板状的滑鞍，其背面设置于Z轴滑轨的表面，其背面通过竖直的Z轴丝杠与Z轴伺服电机相连，

两条平行的X轴滑轨，其水平设置于滑鞍的正面，

X轴伺服电机，其水平设置于滑鞍正面的右侧，其通过水平的X轴丝杠与滑板相连，

滑板，其背面设置于X轴滑轨的表面上，其背面通过水平的X轴丝杠与X轴伺服电机相连，

动力刀盘，其设置于滑板正面的右侧，其上安装动力刀具，

雕铣电主轴，其水平设置于滑板正面的左侧下方，其上安装铣刀，

尾座，其通过尾座架竖直设置于立柱上，处于主轴正上方，其中心轴线与主轴的中心轴线重合，

其中，主轴转角与滑板位移联动，主轴转角与滑鞍位移联动。

其中，雕铣电主轴安装在滑板上，滑板、雕铣电主轴、雕铣电主轴上的铣刀按X轴、Z轴指令与主轴联动。

其中，该车床为两座标三轴两联动，所述两座标即该车床的相对运动只有X轴和Z轴，其中，如图1中所示，在本发明中所述X轴方向为沿着X轴滑轨运动的方向，所述Z轴方向为沿着Z轴滑轨的方向。所述三轴为沿着雕铣电主轴轴向方向（该轴与X轴运动的滑板的方向一致），沿着Z轴运动的滑鞍，沿着竖直中心轴线旋转的主轴；通过三轴两联动提高了车床制作的精度和工作的效率，并且简化了车床的结构。

在这里，三轴两联动是通过主轴上的编码器实现的，当主轴进行供给时，编码器将主轴的进给信息与雕铣电主轴的进给信息相匹配，进而将雕铣电主轴带到目标点，对主轴上安装的被加工的活塞进行加工，所述编码器为常规编码器，无特别限制。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，所述主轴表面设置工装，所述工装安装在主轴上，根据不同活塞制作不同工装，以适应不同的被加工活塞。

在进一步优选的实施方式中，如图1中所示，为了更好的夹紧被加工的活塞，在主轴的顶部还设置了拉杆，在主轴的前端设置拉环，在主轴后端设置活塞销与旋转气缸，主轴后端安装的旋转气缸通过拉杆头和活塞销将被加工的活塞拉紧在工装上，主轴电机转动时带动工装，工件一起旋转。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，滑鞍和滑板二者结合起到一个定位的作用，滑鞍用于固定该车床表面刀具在Z轴上的位置，滑板用于固定该车床表面的刀具在X轴上的位置，两者配合使用可以确定一个点的坐标。所述滑鞍设置于Z轴滑轨上，滑鞍的背面与Z轴丝杠的丝杠母相连，Z轴丝杠与Z轴伺服电机相连，

其中，所述Z轴丝杠、Z轴滑轨、Z轴伺服电机均为竖直向下设置的，Z轴伺服电机的马达带动转子做沿着Z轴周向方向的运动，Z轴丝杠可以将Z轴伺服电机产生的沿Z轴周向方向的力转换成沿Z轴轴向方向运动的力。即Z轴伺服电机通过Z轴丝杠控制滑鞍沿着Z轴滑轨进行直线运动。

同上所述，X轴伺服电机通过X轴丝杠带动滑板沿着X轴滑轨进行直线运动。

在这里，所述X轴伺服电机、Z轴伺服电机并无特殊限制，为常规的伺服电机。

在一个优选的实施方式中，Z轴丝杠的丝杠母与滑鞍的背面相连，Z轴丝杠与Z轴伺服电机相连，当Z轴伺服电机带动Z轴丝杠沿Z轴的周向方向进行转动时，Z轴丝杠带动滑鞍Z轴方向进行直线运动，

同理，X轴伺服电机会通过X轴丝杠带动滑板沿着X轴进行直线运动。X轴丝杠、Z轴丝杠无特别限制，即为常规的滚珠丝杠。

在一个优选的实施方式中，动力刀盘设置于滑板正面的右侧，其上面安装动力刀具。

在这里，动力刀具具体为端面车刀、外圆粗车车刀、外圆精车车刀、活塞环切刀、刮油环切刀；

雕铣电主轴水平设置于滑板正面的左侧下方，其上面安装铣刀，所述铣刀和动力刀具可以同时用于加工活塞，也可以用其中之一加工活塞，通过两种刀具的加工方式，提高了该车床的灵活性、增加了加工活塞的种类。

在进一步优选的实施方式中，如图1中所示，雕铣电主轴是高度旋转，进而带动铣刀高速的铣削，其铣削速度大于400m/min，进而提高了该机床的加工效率。

雕铣电主轴带动铣刀高速旋转进行铣削时，主轴带动被加工活塞低速旋转实现被加工活塞铣外圆的铣削。此时编程移动X轴实现非圆铣削，Z轴向下移动实现非圆柱的铣削。主轴转角与X轴位移联动，主轴转角与Z轴位移联动。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，尾座其顶端竖直设置于尾座架的前端，其中心轴线与主轴的中心轴线重合，这样可以使得尾台与主轴能够更好的夹紧被加工的活塞。

在进一步优选的实施方式中，如图1和图5中所示，为了更好的夹紧被加工的活塞，在尾座的底端设置气缸，气缸的底端设置轴承，轴承的底端设置平头顶尖，所述气缸是可以伸缩的，当被加工的活塞比较小的时候，气缸可以伸长，以便尾座可以更好的将被加工的活塞夹在主轴上，反之则缩短；尾座底端的平头顶尖是与主轴主轴上的被加工的活塞顶端相抵接的，当主轴带动被加工的活塞一起转动时，平头顶尖和轴承也会随之转动。

以下结合优选的实施方式对根据本发明优选实施方式的非圆活塞多功能专用数控车床的加工流程进行说明：

（1）将被加工活塞安装在工装上，通过主轴后面的旋转气缸、主轴轴线的拉杆、前面的拉环、加工用的活塞销将活塞拉紧固定在工装上；

（2）开动主轴伺服电机，主轴旋转带动被加工活塞旋转，其转速设为1200-2000r/min；

（3）转动动力刀盘，将端面车刀调整到被加工活塞端面外侧，给进车削被加工活塞端面，加工后退刀；

（4）尾座气缸给气，尾座的平头顶尖向下运动压紧在被加工活塞的顶端面上；

（5）转动动力刀盘，将外圆粗车车刀调整到被加工活塞端面外侧，给进滑鞍，粗车被加工活塞外圆，加工后退刀；

（6）转动动力刀盘，将外圆精车车刀调整到被加工活塞端面外侧，给进滑鞍，精车被加工活塞外圆，加工后退刀；

（7）转动动力刀盘，将活塞环切刀调整到被加工活塞环位置，给进滑板，车被加工活塞沟，加工后退刀；

（8）转动动力刀盘，将刮油环切刀调整到被加工活塞的刮油环位置，给进滑板，车刮油环沟，加工后退刀；

（9）将雕铣电主轴上的铣刀头调整到被加工活塞端面上外侧，将主轴转速调整到100-150r/min，开动雕铣电主轴，将铣刀的转速设为1200-2000r/min，滑板按指令微动0.02mm、滑鞍由顶端向下运动完成非圆铣削。

根据本发明提供的非圆活塞多功能专用数控车床，具有精度高、加工时间短、便捷、加工活塞的质量好、加工活塞的种类多等特点，可以大规模的投入使用。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.非圆活塞多功能专用数控车床，其特征在于，该数控机床包括：

床身（1）；

立柱（5），其竖直地设置在床身上；

两条平行的Z轴滑轨（15），其竖直设置于立柱前表面上；

Z轴伺服电机13，与Z轴丝杠相连，Z轴丝杠通过两端的轴承安装在立柱前表面，Z轴丝杠的丝杠母安装在滑鞍上；

滑鞍，设置于Z轴滑轨上，其与Z轴丝杠的丝杠母相连，其中，在滑鞍上沿水平方向设置两平行的X轴滑轨（16），在X轴滑轨（16）上设置滑板，滑板背面与X轴丝杠的丝杠母相连，在滑板正面一侧设置动力刀盘（22），其上安装动力刀具，在滑板正面另一侧设置雕铣电主轴，其上安装铣刀，在滑鞍上还设置X轴伺服电机（14），其与X轴丝杠（18）相连；

主轴（2），其设置于床身上、立柱的前方，其与立柱的前表面相对，在主轴上设置编码器，编码器用于对主轴的进给和雕铣电主轴（21）的轴向进给进行匹配；

主轴伺服电机（6），其设置于床身上，驱动主轴转动；和

尾座（4），通过尾座架设置于立柱上，位于主轴上方，其中心轴线与主轴的中心轴线重合，

其中，主轴转角与滑板位移联动，主轴转角与滑鞍位移联动。

2.如权利要求1所述的非圆活塞多功能专用数控车床，其特征在于，

所述主轴，其顶部设置工装和拉杆，用于夹持被加工活塞工件，

其前端设置拉环，

其后端设置活塞销与旋转气缸。

3.如权利要求1所述的非圆活塞多功能专用数控车床，其特征在于，尾座的底端设置气缸（4a），气缸的底端设置轴承，轴承的底端设置平头顶尖（4b），稳固地抵接被加工活塞顶端，以夹紧被加工活塞。

4.如权利要求1所述的非圆活塞多功能专用数控车床，其特征在于，铣刀对被加工活塞进行高速铣削，其铣削速度大于400m/min。

5.如权利要求1所述的非圆活塞多功能专用数控车床，其特征在于，所述动力刀具包括：端面车刀、外圆粗车车刀、外圆精车车刀、活塞环切刀、刮油环切刀。

6.如权利要求1所述的非圆活塞多功能专用数控车床，其特征在于，该数控车床的工作过程为：

（1）将被加工活塞安装在工装上，通过主轴后面的旋转气缸、主轴轴线的拉杆、前面的拉环、加工用的活塞销将活塞拉紧固定在工装上；

（2）开动主轴伺服电机，主轴旋转带动被加工活塞旋转，其转速设为1200-2000r/min；

（3）转动动力刀盘，将端面车刀调整到被加工活塞端面外侧，给进车削被加工活塞端面，加工后退刀；

（4）尾座气缸给气，尾座的平头顶尖向下运动压紧在被加工活塞的顶端面上；

（5）转动动力刀盘，将外圆粗车车刀调整到被加工活塞端面外侧，给进滑鞍，粗车被加工活塞外圆，加工后退刀；

（6）转动动力刀盘，将外圆精车车刀调整到被加工活塞端面外侧，给进滑鞍，精车被加工活塞外圆，加工后退刀；

（7）转动动力刀盘，将活塞环切刀调整到被加工活塞环位置，给进滑板，车被加工活塞沟，加工后退刀；

（8）转动动力刀盘，将刮油环切刀调整到被加工活塞的刮油环位置，给进滑板，车刮油环沟，加工后退刀；

（9）将雕铣电主轴上的铣刀头调整到被加工活塞端面上外侧，将主轴转速调整到100-150r/min，开动雕铣电主轴，将铣刀的转速设为1200-2000r/min，滑板按指令微动0.02mm、滑鞍由顶端向下运动完成非圆铣削。