CN105215375B - 一种高速脉动式车削加工方法及实现该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速脉动式车削加工方法与实现该方法的装置。在车削过程中，刀具与工件的接触方式由持续接触式改进为脉动接触式；借助刀具运动，实现刀刃与工件的相对线切削速度大于工件的表面线速度，实现高速车削。相比于传统车削技术，本发明的线切削速度由刀具速度与工件表面线速度共同组成。进一步地，在车削前后对刀具实施主动冷却，在车削之前对工件材料进行温度控制，扩大了刀具的材料可加工范围；另外，由于结合了主动冷却措施，避免了升温对刀具造成的耐热负担。本方法提高了车削线速度、节约了能耗、降低车削过程中的热量、延长了刀具的使用寿命，适用材料范围大，具有良好的应用前景。

Description

一种高速脉动式车削加工方法及实现该方法的装置

技术领域

本发明属于车削加工技术领域，尤其涉及一种高速脉动式车削加工方法及实现该方法的装置。

背景技术

车削是一种常见的切削加工方法，在切削生产中占有十分重要的地位，该方法是在车床上利用主轴使工件相对固定刀具进行旋转而对工件进行切削。因此，在车削过程中，刀具的刀刃和工件的接触方式一般为单点持续接触式。

但是，这种单点连续接触的车削方式存在的不足是车削线速度低。尤其是当需要车削大型工件时，例如大型船只的传动轴、发电机组的主轴、航空发动机中心轴等部件，由于工件尺寸大，普通车削机床(简称“车床”)难以加工，需要使用重型车床。在重型车床中，由于待加工工件的尺寸较大，若主轴以高速旋转，一方面将增大主轴负担，对电动机和主轴零部件性能提出更高要求，一方面由于功耗随着转速的平方成比例增加，转速提高导致耗费大量能源，增加车床的生产与运行成本。因此，与主轴转速一般在500RPM以上的中型和小型车床相比，重型车床在车削大型工件时，主轴的转速一般低至50RPM以内，利用固定的车削刀具对低速旋转的工件进行车削。

主轴转速低将产生如下问题：(1)刀具相对工件的线切削速度低，即车削线速度低，导致加工周期漫长；(2)当线切削速度低时，车削力大，刀具磨损严重，影响切削加工质量，尤其是对高硬度、高粘性、高脆性等材料的切削质量大大降低。熊楚杨等人在文献：关于Salomon假设的研究综述，航天制造技术，2007.中的研究也表明，刀具相对工件的线切削速度提高，则出现切削力下降、可车削材料范围扩大、车削加工质量提高、加工产热降低等一系列优点。

另外，单点连续接触的车削方式中，刀具和工件摩擦产生热量不易散失。尤其是在重型车床中，由于工件尺寸大、重量大，刀具和工件摩擦产生大量的热量，这些热量会导致以下问题：(1)刀具磨损加快，点接触退化为线接触甚至面接触，切削力随之增大；(2)刀具发生热变形，影响加工精度；(3)切屑温度升高，在刀具上形成积屑瘤，再次影响刀具精度。目前，在实际车削加工过程中，一般采用施加冷却液来降低摩擦、带走热量。但是，由于单点连续接触式的车削工艺中切削接触点面积有限，因此很难被有效冷却，冷却效果不佳。

此外，当前的车削技术主要针对金属工件，而对脆性材料或超硬材料的加工能力不足，对粘性材料(如铜等)，以及导热性差的材料(如钛合金等)的加工则出现黏刀和热损等一系列问题。尤其是在重型车床中，主轴转速较低，对脆性材料、超硬材料、粘性材料以及导热性差的材料的加工质量则更加有待提高。

因此，如何改进现有的车削工艺，尤其是重型车床中对大尺寸工件的车削加工工艺是本领域科技工作者的重点研究课题之一。

发明内容

针对上述现有车削技术中存在的不足之处，本发明提供了一种高速脉动式车削加工方法，该方法能够在车床主轴转速相对较低的情况下，实现高速线切削速度，从而提高车削效率、延长刀具使用寿命、扩大可加工材料范围，以及降低加工成本，尤其适用于重型车床对大尺寸、高质量的大型工件的车削加工。

本发明的技术方案为：一种高速脉动式车削加工方法，工件在主轴的带动下进行转动，刀具的刀刃与工件相接触进行车削，其特征是：在车削过程中，刀刃呈“运动”状态，刀刃对工件的线车削速度由刀刃运动与工件转动共同提供，即刀刃对工件的的线切削速度由刀刃线速度和工件表面线速度组成，因此刀刃对工件的线切削速度大于工件的表面线速度；并且，刀刃上的某一点与工件的接触方式由持续接触式改变为脉动接触式，即，对刀刃上的某一接触点而言，其与工件的接触是间歇性的，也就是说，当该接触点与工件进行一次接触后，经过一定时间间隔之后再进行下一次接触。

本发明还提供了实现该高速脉动接触的刀具，包括链式结构的刀具与套轴结构的刀具。

(—)链式结构的刀具

链式结构的刀具由刀链、传动装置以及若干个刀刃组成，刀刃设置在刀链上，在传动装置作用下刀链运动，带动刀刃进行运动。作为优选，刀刃间隔均匀地设置在刀链上。作为优选，传动装置采用至少两个转动轮构成，工作状态时，工件位于刀链外侧、彼此相邻的转动轮之间，转动轮进行旋转运动，带动刀链运动，从而使刀刃在与工件接触进行车削时呈运动状态。

作为优选，该链式结构的刀具可以是如下几种。

(1)链式结构一

如图1所示，该结构包括转动轮与刀链4。转动轮包括主动轮2与从动轮3。刀链4的放大图如图2所示，包括铰链6和链节7，链节7由铰链6连接，刀刃5安装在链节7上。工作状态时，工件1位于刀链4外侧、主动轮2与从动轮3之间，主动轮2与从动轮3进行旋转运动，带动刀链4运动，从而使刀刃5在与工件接触进行车削时呈直线运动。

该结构中，主动轮2和从动轮3可根据具体加工要求修改到合适尺寸，实现刀具的小型化和轻量化；可通过增减链节7调整刀链4的长度，因此能够根据具体加工需求自主便捷地调节刀具，实现刀具小型化和轻量化。

(2)链式结构二

如图3所示，该结构是上述图1所示链式结构的一种变形，包括主动轮2、至少两个导向轮8和刀链4，刀刃5安装在刀链4上，导向轮8之间的间距可调，并且导向轮8和主动轮2之间的间距可调。工作状态时，工件1位于两个导向轮8之间，主动轮2转动，导向轮8随之转动，带动刀链4运动，从而使刀链4上的刀刃在与工件接触进行车削时呈直线运动。

图4是导向轮8与刀链4部分的俯视图，该图显示了图3中导向轮8与刀链4的安装关系。图4中工字型的导向轮两端凸缘20限制了铰链6的运动范围，保证导向轮8的导向作用。

这种结构便于将刀刃伸入工件1的常规加工难以触及的区域，可在精密加工中满足高指向性的加工要求。

(3)链式结构三

如图5所示，该结构是上述图1所示链式结构的另一种变形，包括主动轮2、从动轮3、两个导向轮8和刀链4，刀刃安装在刀链4上，两个导向轮8位于主动轮2与从动轮3之间，两个导向轮8之间的间距可调，用以调整刀链4之间的间距。工作状态时，工件1位于从动轮3一侧，与经过从动轮3一侧的刀刃接触进行车削，相比于如图3所示的结构，该结构更加能够缩小加工接触区域，满足精密加工中更高指向性的加工要求，同时在从动轮3和导向轮8之间的刀链4部分可提供直线脉动加工。

该结构中，由于刀刃5面向导向轮8，因此在工作状态时，为了避免导向轮8阻碍刀链4的运动，将导向轮8的结构以及其与刀链4的安装进行了改进，图6是导向轮8与刀链4部分的俯视图，该图显示了导向轮8的结构及其与刀链4的安装关系。与图4中的工字型导向轮相比，该图6由中的导向轮的凸缘20部分由第一凸缘21与第二凸缘22组成，第一凸缘21与第二凸缘22直径不同，重叠放置；第一凸缘21用于限制铰链6的运动范围，保证导向轮8的导向作用；第二凸缘22为刀刃5的运动提供通过空间。

上述链式结构一、二、三中，作为优选，与从动轮相比，主动轮直径较大，因此在电机带动驱动作用下成为线速度放大装置，该线速度转移到刀具上，从而能够进一步提高车削线速度。例如，使用300毫米直径的主动轮盘，可以相对20毫米直径的从动轮盘放大线速度15倍，对电主轴的要求大大降低，用中低速电机即可实现超高速车削的目标。

(二)套轴结构的刀具

套轴结构的刀具中，刀刃为若干个，分布于圆形装置周缘，当刀刃与工件相接触进行车削时，刀刃呈旋转运动，刀刃与工件的接触方式为高速旋转式脉动接触。

作为优选，该套轴结构的刀具可以是如下几种：

(1)套轴结构一

如图7所示，该结构中包括主动轮2、从动轮3、传动带9与刀刃，刀刃位于圆盘周缘形成圆盘刀刃11，圆盘刀刃与从动轮3同轴。在驱动电机作用下主动轮2旋转，从动轮3随之旋转，带动圆盘刀具11旋转。

该结构中，刀刃呈高速旋转运动，并且能够调整主动轮和从动轮的直径比值，从而进一步提高刀刃对工件的线切削速率。例如，主动轮直径为500毫米，从动轮直径为100毫米，则与电机直接驱动圆盘刀刃相比，其线速度将提高5倍。另外，该主动轮和从动轮之间的动力传递方式不限，可以是带传动、链传动和齿轮传动等。

(2)套轴结构二

如图8所示，该结构中刀具包括多个同轴套接在连接轴10上的圆盘刀刃，其直径渐变，称为“直径渐变式圆盘刀刃”。其中，圆盘刀刃片数可根据实际加工需求进行调整。图8中，左图为示意图，右图为建模示意图。该圆盘刀刃11由锁紧螺母12锁紧。工作状态时，连接轴10在驱动电机的驱动下转动，带动各圆盘刀刃11进行旋转运动。

该结构具有如下优点：

1)传动装置简化为刀具驱动电机主轴；

2)在一次加工过程中，由小直径圆盘刀刃负责粗加工，大直径圆盘刀刃负责精加工，因此该结构可在一次加工过程中实现粗加工和精加工同步完成；

3)并且，随着刀具直径的增加，精加工程度逐渐增加；

4)各圆盘刀刃与工件的接触方式为脉动接触式，在车削过程中刀具的温度变化较小、受力较小，因此，从温度升高与受力情况而言，采用该套接结构的复合圆盘刀刃是完全可行的。

综上所述，在现有的车削加工中，刀刃上的接触点与工件的接触方式为持续点接触，即称为持续点接触式的车削加工。本发明的车削加工过程中，刀刃相对工件进行“运动”，使刀刃对工件的线切削速率大于旋转工件的表面线速度；并且，刀刃上的接触点与工件的接触方式由持续接触式改变为脉动接触式，故称为高速脉动接触式。

与持续点接触式相比，该高速脉动接触式具有如下优点：

(1)提高了车削线速度、节约了能耗

在相同主轴载荷下，有效提高了车削线速度。而相对于车床而言，刀具一般尺寸小、质量轻，能够在较小的能耗下实现高速旋转，因此，与通过提高主轴转速而提高车削线速度相比，该方法在极小的能耗下实现了高速车削；

以某型号重型机床为例，其最大可加工工件的直径为2500mm，最大转速90r/min，主电机功率为75kw，则当它以最大转速加工最大工件时，刀刃的线速度为11.78m/s；当采用本发明的方法，使用直径为300mm的刀刃，当工件以5r/min速度旋转时，则工件表面线速度为0.65m/s，刀刃转速仅需708r/min即可实现与前者相同的线速度；当刀刃转速为9000RPM时，则可以实现2700米/分钟的高速切削速度，即主轴转速为前者的1/18，而刀刃以最大转速时的电机功率小于5kw。

(2)刀刃对工件的线切削速度提高

一方面降低了刀刃与工件接触时的切削力，延长了刀刃的使用寿命，另一方面扩大了可车削材料范围，提高了车削加工质量。

(3)有利于降低车削过程中的热量

持续点接触式的切削方式中，刀刃的有效切削刃始终与工件接触，持续的摩擦导致热量的产生并积累；而本发明的车削过程中，刀刃与工件为脉动式接触，刀刃的接触点与工件为脉动、有间隔的接触摩擦，因此摩擦产生的热量存在散发的时间，有效避免了热量积累。因此，对于铝、铜、普通碳钢等材料可以不施加冷却液，只靠高速运动附带的空冷效应就可以持续加工，而不出现黏刀现象。

实验证实，采用本发明的高速脉动式车削方法对硅胶、铜、铝、304不锈钢成功实现了干式空冷车削，通过对车削过程中的温度监测，表明工件温度与环境温度相近，从而验证了上述论断。

经实验验证，对铜和硅胶材料的加工，常规车削会出现车屑缠绕或由于柔性而难以加工等难题，采用本发明的高速脉动式车削方法，一方面能够将工件材料完全切削为粉末，另一方面能够使工件温升小于30摄氏度。

(4)设备成本低、加工效率高

对主轴电机的要求较低，使设备成本大幅降低；缩短了加工周期，提高了加工效率。

为了进一步避免车削过程中产生热量，本发明采用优选的处理措施：不仅在车削过程中对刀刃实施冷却，而且在车削前后也对刀刃实施冷却，从而保证刀刃绝大多数时间处于常温或低温状态，仅在与工件接触、进行车削的短时间内存在小幅度温升，而该小幅度的升温通过空气冷却、主动施加的介质冷却等令热量无法积累，从而保证了刀刃的刚度和寿命。其中，车削前后以及车削过程中进行冷却的冷却手段不限，包括介质冷却，例如空气冷却、液氮冷却等气体介质冷却，也包括冷却液冷却等。该车削前后的冷却施加方式不限，可以向刀刃喷洒冷却介质，也可将刀刃穿过冷却介质等。

考虑到陶瓷等脆性材料以及淬硬合金等超高硬度材料在车削过程中难加工的问题，在上述车削前后和车削过程中对刀刃进行冷却的优选措施下，本发明采用更加优选的处理措施：在车削之前和车削过程中，对工件材料进行升温处理，使工件材料表层柔化，从而当刀刃对表层材料进行高速切削时，一方面使工件的总体性能不受太大影响，另一方面由于结合车削过程中对刀刃的冷却措施，避免了由于升温对刀刃造成耐热负担，降低刀刃使用寿命的问题。

例如，对氧化铝陶瓷棒材进行车削之前，首先通过二极管激光器将该棒材进行快速升温，使温度达到融化点以下200度左右，可以将该陶瓷材料表层柔化，使其切削力相对室温大大降低，从而降低车削时刀刃损耗。

所述的升温方法不限，包括激光加热法、电热丝加热法等。

综上所述，本发明具有如下有益效果：

(1)将车削过程中刀刃与工件的接触方式由持续点接触式改变为高速脉动接触式，有效解决了机床转速与设备成本的矛盾，提高了车削线速度、降低了刀刃与工件接触时的切削力，节约了能耗，延长了刀刃的使用寿命，降低车削过程中的热量。

(2)进一步地，在刀刃与工件相接触进行车削的前后以及车削过程中对刀刃采取冷却措施，从而进一步避免了热量积累，保证了刀刃的刚度和寿命；

(3)更进一步地，在车削之前和车削过程中，对工件材料进行升温处理，从而在避免刀刃耐热负担的条件下，柔化工件材料表层，进一步降低切削力，尤其适用于脆性材料及超高硬度材料。

本发明还提出了一种实现上述高速脉动式车削加工方法的装置，如图9所示，包括主轴、主轴驱动组件、主轴转动控制单元、刀具、刀具驱动组件、刀具运动控制单元；

主轴转动控制单元向主轴驱动组件发送控制信号，主轴驱动组件带动主轴转动，从而带动工件转动；

刀具运动控制单元向刀具驱动组件发送控制信号，刀具驱动组件为刀具提供动力，带动刀刃运动；对于上述链式结构的刀具和套轴结构的第(1)种刀具，刀具驱动组件驱动传动装置进行运动；对于上述套轴结构的第(2)种刀具，刀具驱动组件驱动套轴装置进行运动。

作为优选，还包括冷却控制单元、冷却组件、加热控制单元、加热组件，以及温度控制单元。冷却控制单元向冷却组件发送控制信号，冷却组件对刀刃进行冷却；加热控制单元向加热组件发送控制信号，加热组件对工件表面进行加热；温度控制单元包括温度传感器，用于获得工件和刀刃温度，并将该温度信号反馈至冷却控制单元与加热控制单元。

温度控制单元与其它组成部分的关系如图10所示。为了减少或消除环境温度变化对加工精度的影响，温度控制单元还包括环境温度传感器与温度补偿模块，环境温度传感器监测工作环境温度，并将温度数据输送至温度补偿模块，温度补偿模块根据温度补偿算法计算出温度补偿数据并传递至主轴转动控制单元与刀具运动控制单元，用于调整主轴转动速度、刀刃运动速度等参数。

如图11所示，冷却系统包括冷却控制单元和冷却组件，冷却控制单元在温度控制单元的辅助下，控制工件和刀刃的温度。冷却组件包括但不仅限于冷却泵、冷却剂、冷却导管等。根据温度控制单元获得的工件和刀刃温度，冷却控制单元控制冷却组件工作，例如控制冷却泵的启停，冷却剂的输出速度等，组成冷却闭环控制。

当刀具为上述套轴结构的第(2)种刀具时，作为一种实现方式，刀具与部分冷却组件的安装结构如图12所示。此处使用伺服驱动电机14驱动刀具，伺服电机14通过电机支架13连接在运动控制系统上，电机轴通过套筒15带动刀具转动，刀具护罩17以半包裹状态安装在伺服电机14和电机支架13外，冷却导管19通过冷却管支架18安装在刀具护罩17上，并穿过刀具护罩17上的小孔将冷却导管19出口引致刀具16的刀刃处，确保冷却输送到位。

综上所述，本发明提供的实现高速脉动式车削加工方法的装置结构简单，刀具设计多样化，能够满足不同应用需求。利用该装置进行车削时对机床主轴的轴向冲击力小，刀具切削力小，从而降低了能耗，延长了刀具使用寿命。并且，在冷却与加热单元的辅助作用下，适用于对难加工材料进行车削，例如陶瓷等脆性材料以及淬硬合金等超高硬度材料，辅助与适用于不粘刀等特难加工材料的加工。

附图说明

图1是本发明高速脉动式车削加工装置中链式结构刀具的结构示意图之一；

图2是图1中的刀链的放大图；

图3是本发明高速脉动式车削加工装置中链式结构刀具的结构示意图之二；

图4是图3中导向轮与刀链部分的俯视图；

图5是本发明高速脉动式车削加工装置中链式结构刀具的结构示意图之三；

图6是图5中导向轮与刀链部分的俯视图；

图7是本发明高速脉动式车削加工装置中套轴结构刀具的结构示意图之一；

图8是本发明高速脉动式车削加工装置中套轴结构刀具的结构示意图之二；

图9是本发明高速脉动式车削加工装置的功能结构示意图；

图10是图9中环境温度传感器与温度补偿模块的功能结构示意图；

图11是本发明高速脉动式车削加工装置中冷却系统的功能结构示意图；

图12是具有图8所示结构的刀具与部分冷却组件的安装结构之一。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步说明，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1-12中的附图标记为：工件1、主动轮2、从动轮3、刀链4、刀刃5、铰链6、链节7，导向轮8、传动带9、连接轴10、圆盘刀刃11、锁紧螺母12、电机支架13、伺服驱动电机14、套筒15、驱动刀具16、刀具护罩17、冷却管支架18、冷却导管19、凸缘20、第一凸缘21、第二凸缘22。

实施例1：

本实施例中，高速脉动式车削加工装置的功能结构示意图如图9所示，包括主轴、主轴驱动组件、主轴转动控制单元、刀具、刀具驱动组件、刀具运动控制单元。

主轴转动控制单元向主轴驱动组件发送控制信号，主轴驱动组件带动主轴转动，从而带动工件转动。

刀具运动控制单元向刀具驱动组件发送控制信号，刀具驱动组件为刀具提供动力，带动刀刃运动。

该高速脉动式车削加工装置还包括冷却控制单元、冷却组件、加热控制单元、加热组件，以及温度控制单元。

在车削前后和车削过程中，冷却控制单元向冷却组件发送控制信号，冷却组件对刀刃进行冷却，同时，由于温度控制单元包括温度传感器，用于获得工件和刀刃温度，并将该温度信号反馈至冷却控制单元，从而保证刀刃绝大多数时间处于常温或低温状态，仅在与工件接触、进行车削的短时间内存在小幅度温度升高，而该小幅度的升温通过空气冷却、主动施加的介质冷却等令热量无法积累，从而保证了刀刃的刚度和寿命。其中，冷却手段不限，包括介质冷却，例如空气冷却、液氮冷却等气体介质冷却，也包括冷却液冷却等；却施加方式不限，可以向刀刃喷洒冷却介质，也可将刀刃穿过冷却介质等。

在车削前后和车削过程中，加热控制单元向加热组件发送控制信号，加热组件对工件表面进行加热，使工件材料表层柔化，同时，由于温度控制单元包括温度传感器，用于获得工件和刀刃温度，并将该温度信号反馈至加热控制单元，从而在刀刃对表层材料进行高速切削时，一方面使工件的总体性能不受太大影响，另一方面由于结合车削过程中对刀刃的冷却措施，避免了由于升温对刀刃造成耐热负担，降低刀刃使用寿命的问题。

其中，温度控制单元与其它组成部分的关系如图10所示。为了减少或消除环境温度变化对加工精度的影响，温度控制单元还包括环境温度传感器与温度补偿模块，环境温度传感器监测工作环境温度，并将温度数据输送至温度补偿模块，温度补偿模块根据温度补偿算法计算出温度补偿数据并传递至主轴转动控制单元与刀具运动控制单元，用于调整主轴转动速度、刀刃运动速度等参数。

如图11所示，冷却系统包括冷却控制单元和冷却组件，冷却控制单元在温度控制单元的辅助下，控制刀刃温度。冷却组件包括冷却泵、冷却剂、冷却导管等。根据温度控制单元获得的刀刃温度，冷却控制单元控制冷却组件工作，例如控制冷却泵的启停，冷却剂的输出速度等，组成冷却闭环控制。

本实施例中，刀具为链式结构，由刀链、传动装置以及若干个刀刃组成，刀刃安装在刀链上。具体结构如图1所示，传动装置由主动轮2与从动轮3组成，主动轮2与从动轮3的直径不相同。刀链4的放大图如图2所示，刀链4包括铰链6和链节7，链节7由铰链6连接，刀刃5安装在链节7上。

工作状态时，工件1位于刀链4外侧、主动轮2与从动轮3之间，主动轮2与从动轮3进行旋转运动，带动刀链4运动，从而使刀刃5在与工件接触进行车削时呈直线运动。即，在车削过程中，刀刃5对工件1的线切削速度由刀刃5的线速度和工件1的表面线速度组成，因此刀刃5对工件1的表面线切削速度大于工件1的表面线速度；并且，刀刃5上的接触点与工件1的接触方式为脉动接触式。

该结构中，主动轮2和从动轮3可根据具体加工要求修改到合适尺寸，实现刀具的小型化和轻量化；可通过增减链节7调整刀链4的长度，因此能够根据具体加工需求自主便捷地调节刀具，实现刀具小型化和轻量化。

实施例2：

本实施例中，高速脉动式车削加工装置的功能结构与实施例1相同。所不同的是，刀具采用图3所示的链式结构。即，刀具包括主动轮2、两个导向轮8和刀链4，刀刃5安装在刀链4上，导向轮8之间的间距可调，并且导向轮8和主动轮2之间的间距可调。

工作状态时，工件1位于两个导向轮8之间，主动轮2转动，导向轮8随之转动，带动刀链4运动，从而使刀链4上的刀刃在与工件接触进行车削时呈直线运动。即，在车削过程中，刀刃5对工件1的线切削速度由刀刃5的线速度和工件1的表面线速度组成，因此刀刃5对工件1的表面线切削速度大于工件1的表面线速度；并且，刀刃5上的接触点与工件1的接触方式为脉动接触式。

图4是导向轮8与刀链4部分的俯视图，该图显示了图3中导向轮8与刀链4的安装关系。图4中工字型的导向轮两端凸缘20限制了铰链6的运动范围，保证导向轮8的导向作用。

这种结构便于将刀刃伸入工件1的常规加工难以触及的区域，可在精密加工中满足高指向性的加工要求。

实施例3：

本实施例中，高速脉动式车削加工装置的功能结构与实施例1相同。所不同的是，刀具采用图5所示的链式结构。即，刀具包括主动轮2、从动轮3、两个导向轮8和刀链4，刀刃安装在刀链4上，两个导向轮8位于主动轮2与从动轮3之间，两个导向轮8之间的间距可调，用以调整刀链4之间的间距。

工作状态时，工件1位于从动轮3一侧，主动轮2与从动轮3进行旋转运动，带动刀链4运动，导向轮8随之转动，从而使刀链4上的刀刃在与工件接触进行车削时呈运动状态。即，在车削过程中，刀刃5对工件1的线切削速度由刀刃5的线速度和工件1的表面线速度组成，因此刀刃5对工件1的表面线切削速度大于工件1的表面线速度；并且，刀刃5上的接触点与工件1的接触方式为脉动接触式。

相比于如图3所示的结构，该结构中，将导向轮8的结构以及其与刀链4的安装进行了改进，图6是导向轮8与刀链4部分的俯视图，该图显示了导向轮8的结构及其与刀链4的安装关系。与图4中的工字型导向轮相比，该图6由中的导向轮的凸缘20部分由第一凸缘21与第二凸缘22组成，第一凸缘21与第二凸缘22直径不同，重叠放置；第一凸缘21用于限制铰链6的运动范围，保证了导向轮8的导向作用；第二凸缘22的设置为刀刃5的运动提供了通过空间，因此在工作状态时能够避免导向轮8阻碍刀链4的运动。另外，该结构更加能够缩小加工接触区域，满足精密加工中更高指向性的加工要求，同时在从动轮3和导向轮8之间的刀链4部分可提供直线脉动加工。

实施例4：

本实施例中，高速脉动式车削加工装置的功能结构与实施例1相同。所不同的是，刀具采用图7所示的套轴结构的刀具，包括主动轮2、从动轮3、传动带9与若干刀刃，刀刃位于圆盘周缘形成圆盘刀刃11，圆盘刀刃与从动轮3同轴。

工作状态时，在驱动电机作用下主动轮2旋转，从动轮3随之旋转，带动圆盘刀具11旋转。即，在工件1与圆盘刀刃11相接触进行车削的过程中，圆盘刀刃11呈旋转运动，圆盘刀刃11对工件1的线切削速度由圆盘刀刃11的线速度和工件1的表面线速度组成，因此圆盘刀刃11对工件1的表面线切削速度大于工件1的表面线速度；并且，圆盘刀刃11上的接触点与工件1的接触方式为脉动接触式。

实施例5：

本实施例中，高速脉动式车削加工装置的功能结构与实施例1相同。所不同的是，刀具采用图8所示的套轴结构的刀具。该结构中，刀具包括多个同轴套接在连接轴10上的圆盘刀刃11，其直径渐变，称为“直径渐变式圆盘刀刃”。图8中，左图为示意图，右图为建模示意图。该圆盘刀刃11由锁紧螺母12锁紧。

该刀具与冷却组件的安装结构如图12所示，使用伺服驱动电机14驱动刀具，伺服电机14通过电机支架13连接在运动控制系统上，电机轴通过套筒15带动刀具转动，刀具护罩17以半包裹状态安装在伺服电机14和电机支架13外，冷却导管19通过冷却管支架18安装在刀具护罩17上，并穿过刀具护罩17上的小孔将冷却导管19出口引致刀刃处，确保冷却输送到位。

工作状态时，连接轴10在驱动电机的驱动下转动，带动各圆盘刀刃11进行旋转运动。即，在工件1与圆盘刀刃11相接触进行车削的过程中，圆盘刀刃11呈旋转运动，圆盘刀刃11对工件1的线切削速度由圆盘刀刃11的线速度和工件1的表面线速度组成，因此圆盘刀刃11对工件1的表面线切削速度大于工件1的表面线速度；并且，圆盘刀刃11上的接触点与工件1的接触方式为脉动接触式。

另外，与实施例4中所示的刀具结构相比，该刀具结构具有如下优点：

1)传动装置简化为刀具驱动电机主轴；

2)在一次加工过程中，由小直径圆盘刀刃负责粗加工，大直径圆盘刀刃负责精加工，因此该结构可在一次加工过程中实现粗加工和精加工同步完成；

3)并且，随着刀具直径的增加，精加工程度逐渐增加；

4)各圆盘刀刃与工件的接触方式为脉动接触式，在车削过程中刀具的温度变化较小、受力较小，因此，从温度升高与受力情况而言，采用该套接结构的复合圆盘刀刃是完全可行的。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种重型车床中提高线切削速度的车削加工方法，工件在主轴的带动下转动，刀具的刀刃与工件相接触进行车削，所述的线切削速度是刀具相对工件的线切削速度，其特征是：

所述的刀具由刀链、传动装置以及若干个刀刃组成；刀刃安装在刀链上，工作状态时，刀链随传动装置而运动，带动刀刃与工件接触进行车削时呈运动状态，刀刃对工件的线切削速度由刀刃线速度和工件的表面线速度组成，刀刃对工件的线切削速度大于工件的表面线速度。

2.如权利要求1所述的重型车床中提高线切削速度的车削加工方法，其特征是：所述的传动装置由至少两个转动轮构成。

3.如权利要求2所述的重型车床中提高线切削速度的车削加工方法，其特征是：所述的转动轮包括主动轮与从动轮，所述的主动轮与从动轮的直径不相同。

4.如权利要求3所述的重型车床中提高线切削速度的车削加工方法，其特征是：所述的从动轮是两个以上的导向轮，工作状态时，主动轮转动，导向轮随之转动，导向轮之间的间距可调，并且导向轮和主动轮之间的间距可调，工作状态时，工件位于两个相邻导向轮之间的刀链外侧。

5.如权利要求3所述的重型车床中提高线切削速度的车削加工方法，其特征是：所述的转动轮还包括两个导向轮，导向轮位于主动轮与从动轮之间，两个导向轮之间的间距可调，工作状态时，工件位于从动轮一侧。

6.一种高速脉动接触式车削加工用刀具，工件在主轴的带动下转动，其特征是：刀刃对工件的的线切削速度由刀刃线速度和工件的表面线速度组成；所述的刀具包括主动轮、从动轮、连接主动轮与从动轮的传动带，以及若干个刀刃，若干个刀刃分布于圆盘周缘形成圆盘刀刃，圆盘刀刃与从动轮同轴，工作状态时，主动轮转动，从动轮随传动带传动而转动，带动圆盘刀刃转动，使刀刃与工件接触进行车削时呈运动状态。

7.一种高速脉动接触式车削加工用刀具，其特征是：刀刃对工件的的线切削速度由刀刃线速度和工件的表面线速度组成；所述的刀刃为若干个，分布于圆盘周缘形成圆盘刀刃；所述的刀具包括连接轴、套接在连接轴上的若干个直径渐变的圆盘刀刃；工作状态时，圆盘刀刃随连接轴转动而转动，使刀刃与工件接触进行车削时呈运动状态。

8.一种高速脉动接触式车削加工方法，其特征是：使用权利要求1至7中任一权利要求所述的刀具，工件在主轴的带动下转动，车削过程中刀刃对工件的的线切削速度大于工件的表面线速度。

9.如权利要求8所述的高速脉动接触式车削加工方法，其特征是：车削前后和车削过程中，对刀具实施冷却。

10.如权利要求8所述的高速脉动接触式车削加工方法，其特征是：在车削之前和车削过程中，对工件材料进行温度控制，使工件材料表层柔化。

11.如权利要求9所述的高速脉动接触式车削加工方法，其特征是：在车削之前和车削过程中，对工件材料进行升温处理，使工件材料表层柔化。

12.一种高速脉动接触式车削加工装置，其特征是：包括主轴、主轴驱动组件、主轴转动控制单元、如权利要求1至11中任一权利要求所述的刀具、刀具驱动组件、刀具运动控制单元；

主轴转动控制单元向主轴驱动组件发送控制信号，主轴驱动组件带动主轴转动，从而带动工件转动；

刀具运动控制单元向刀具驱动组件发送控制信号，刀具驱动组件为刀具提供动力，带动刀刃运动。

13.如权利要求12所述的高速脉动接触式车削加工装置，其特征是：还包括冷却控制单元、冷却组件、加热控制单元、加热组件，以及温度控制单元；

冷却控制单元向冷却组件发送控制信号，冷却组件对刀刃进行冷却；

加热控制单元向加热组件发送控制信号，加热组件对工件表面进行加热；

温度控制单元包括温度传感器，用于获得工件和刀刃温度，并将温度信号反馈至冷却控制单元与加热控制单元。

14.如权利要求12所述的高速脉动接触式车削加工装置，其特征是：温度控制单元还包括环境温度传感器与温度补偿模块，环境温度传感器监测工作环境温度，并将温度数据输送至温度补偿模块，温度补偿模块根据温度补偿算法计算出温度补偿数据并传递至主轴转动控制单元与刀具运动控制单元。