CN108436113A - 一种可自动更换刀具的主轴功能部件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可自动更换刀具的主轴功能部件。其包括滑座、主轴箱、主轴、打刀臂、打刀凸轮、刀库支架、刀库及导向板,在滑座凹槽的两个侧壁上分别固定有一对线轨滑块，在主轴箱两侧面对应线轨滑块的位置处分别固定有一线性导轨，通过线轨滑块与线性导轨的耦合可使主轴箱被夹持在安装凹槽内,在驱动丝杆的带动下，主轴箱可沿其重心方向做铅锤运动。本发明可自动更换刀具的主轴功能部件,由于主中心贴近线轨，从而的降低了滑座所承受的偏载力矩,滑座最大限度的减少偏载力矩和悬伸力矩对主轴箱运动精度、静态精度和加工精度的影响，解决了主轴箱故有的低头问题和平衡问题，很好的解决了主轴箱高速运行时的振动现象。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床、加工中心技术领域，特别是立式数控铣床、立式数控钻床、数控摇臂铣床及其相应的立式加工中心，尤其涉及一种可自动更换刀具的主轴功能部件。
背景技术
数控机床是现代制造业必不可少的工艺装备，也是柔性制造系统和无人化工厂的关键设备。机床换刀时间的长短将直接影响机床的生产效率，机床高速运行时主轴箱的振动和抖动是产品质量提升的杀首戟。传统立式机床，无论是否是数控机床，主轴箱的偏载力矩都是客观存在的，主轴中心与立柱导轨距离愈大，偏载力矩也越大，主轴箱越重，偏载力矩也就越大。从如下偏载力矩计算公式可以看出，偏载力矩与主轴中心至导轨面距离和主轴箱重量都是成正比的：Mp＝GpXL，式中Mp为偏载力矩，Gp为主轴箱重量，L为主轴中心至立柱导轨面距离。
如何缩短机床刀具交换时间、减少立式机床的偏载力矩这两个问题，是机床设计的永恒的课题。特别是高速、高精机床，偏载力矩对被加工零表面粗糙度影响十分明显。例如加工手机壳体的钻铣加工中心，就是一种高速、高精加工机床。目前市场上只有小规格工作台面的钻铣加工中心，而没有宽工作台面的加工中心，其原因正是受偏载力矩所限。
小型高速加工中心(指工作台宽度在500mm以下的加工中心)通常用于钻孔、攻螺纹、平面和的轮曲线的铣削。如手机壳体的内外轮廓和底平面以及周边按键槽铣削加工，小孔的钻削，细微螺孔(M2)钻孔攻丝。IT行业的小型激站的内外轮廊，小孔群及众多的小螺孔钻孔攻丝等加工。
上述小型高速加工中心，其特点是结构紧凑，刀具交换的时间短，主轴转速高，进给速度快。适用于铝合金零部件的加工件。其缺点是加工范围有限，不能满足大容量激站壳体、大显示屏框架和高铁列车灯饰件、窗饰件等铝型材的加工。其主要原因是，目前市场上钻铣加工中心工作台的宽度太小，最大宽度未超过450mm。而且市场上的所提供的钻铣加工中心，对于不锈钢等高硬材料的钻孔、攻螺纹、铣削平面显得无能为力。众多国产机(含台湾机)几乎无一例外。进口的小黄机(日本机)不是特殊定制的机型也满足不了加工要求。
传统立式钻铣加工中心的主轴箱结构如附5图所示，其主轴箱(2’)是垂直于立柱(90’)，通过安装在主轴箱(2’)与立柱(90’)间的线性导轨 (18’)副联接，主轴箱(2’)沿安装在立柱(90’)上的线性导轨(18’) 作Z向进给作上运动，主轴箱(2’)如同一个悬臂(伸)体在作铅垂运动。主轴箱(2’)因自身重量会产生一个悬臂(伸)力矩，这个力矩会使主轴箱(2’) 搭(低)头，主轴箱(2’)的重量越大，悬伸的跨度L’(主轴中心至导轨面 S2距离)越大，这个力矩也就越大。这个力矩通常称作巅覆力矩。图6为背景技术中传统立式钻铣加工中心的简易原理示意图。从附图5中不难看出，其采用垂直式的立柱(90’)，沿该立柱(90’)垂直方向的外侧壁上设置有平行Z 轴方向(即垂直地面方向)的导轨(18’)，主轴箱(2’)的一端可沿该导轨 (18’)方向做上下往返运动，另一端设置有可沿Z轴方向运动的主轴总成(14’)，实际应用中，正常情况下，主轴箱(2’)的悬伸方向与立柱(90’) 的垂直方向呈现出直角的夹角，此时，主轴总成(14’)沿垂直方向的精准度越高，但是，当与该立柱(90’)匹配的工作台的面积、尤其沿X方向的宽度越大时，主轴箱(2’)悬伸的跨度也势必越大，主轴箱(2’)因自重而产生的悬臂(伸)力矩也就越大，因此极易出现主轴箱(2’)呈现一定斜度偏转的现象，致使主轴箱(2)的悬伸方向与立柱(90’)的垂直方向呈现出锐角的夹角，主轴总成(14’)顺势产生低头的现象，主轴总成(14’)的中心轴线也顺势产生偏转，致使主轴箱(2’)升降时的平衡受到严重影响，并且高速运行时势必出现主轴箱(2’)振动和抖动的现象。另外在加工时，因切削力产生的偏截力矩，也会因主轴总成(14’)与导轨(18’)间的加工距离而增加。基于上述原因，国内外至今没有适用于大规格(工作台宽度)的、且精准度更高的高速立式铣加工中心、只有小规格的高速钻铣加工中心。
发明内容
本发明的目的在于提供一种刀具交换时间短、偏载力矩小的可自动更换刀具的主轴功能部件。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种可自动更换刀具的主轴功能部件，其可分离与外部加工机床的床身固定连接，其包括滑座(1)和可沿所述滑座(1)的重心方向做铅锤运动的主轴箱(2)；所述滑座(1)上形成有一沿其垂直方向从上往下贯通延伸的安装凹槽(101)，所述滑座(1)一侧的端面形成有一与所述凹槽(101)贯通的内凹形缺口，所述安装凹槽(101)内连接有一沿铅锤Z方向设置的所述主轴箱(2)，所述主轴箱(2)为长方柱形滑枕式，其内安装有主轴总成(14)；所述滑座(1)的且与其内凹形缺口相对的另一侧的侧壁上形成有一可分离与外部加工机床相连接的连接部(30)。
在优选的实施例中，所述安装凹槽(101)相对所述主轴箱(2)的两个侧壁上分别利用第一螺钉(19)固定有一线轨滑块(16)，所述主轴箱(2)对应所述线轨滑块(16)的位置处分别利用第二螺钉(20)固定有一沿Z轴方向设置的线性导轨(18)，所述线性导轨(18)与所述线轨滑块(16)相耦合可使所述主轴箱(2)被夹持在所述安装凹槽(101)内并可沿其重心方向做铅锤运动。
在优选的实施例中，所述滑座(1)的顶部安装有电机(8)、Z向传动模块 (9)和Z向滚珠进给丝杆(13)；所述Z向传动模块(9)驱动所述Z向滚珠进给丝杆(13)转动，并带动所述主轴箱(2)沿铅锤方向在所述安装凹槽(101) 内做上下进给运动。
在优选的实施例中，所述滑座(1)的上端面安装有刀库支架(7)、刀库摆动架(6)和刀库(3)，；所述主轴箱(2)的外侧安装有可供所述刀库(3)运动的导向板(5)；所述刀库支架(7)的一端与所述刀库摆动架(6)的一端固定连接，所述刀库摆动架(6)的另一端与所述刀库(3)之间通过一摆动轴(4) 连接。
在优选的实施例中，所述主轴箱(2)内还安装有用于刀具交换时松开被拉紧的刀具的打刀臂(10)和打刀凸轮(11)；所述主轴箱(2)的尾端且靠近所述主轴总成(14)的位置处还设置有用于清洁所述刀库(3)上的刀具的喷嘴(15)。
在优选的实施例中，所述连接部(30)包括一呈圆台状的、用于与外部连接结构之间呈间隙配合插接的连接块(31)，还包括多个均匀分布在所述连接块 (31)外部的、用于通过紧固件与外部连接结构固定连接的固定块(31)。
本发明可自动更换刀具的主轴功能部件的有益效果在于：主轴箱滑座形状呈成凹形的安装凹槽，安装凹槽内可分别连接固定主轴箱，安装凹槽的两个侧壁上分别固定有一线轨滑块，主轴箱对应线轨滑块的位置处固定有一可沿Z轴方向设置的线性导轨，通过线轨滑块与线性导轨的耦合可使主轴箱被夹持在安装凹槽内并可沿其重心方向做铅锤运动。本发明的可自动更换刀具的主轴功能部件有别于传统钻铣加工中心所采用的立柱+悬伸主轴箱的运动结构，使用本功能部件可最大限度的减少偏载力矩和悬伸力矩对主轴箱运动精度、静态精度和加工精度的的影响，从而使主轴箱能在少悬臂或零悬臂力矩的情况下，沿铅垂方向高速运行。解决了主轴箱故有的悬臂力矩所造成的主轴箱的低头问题，长方形的主轴箱被夹持在呈长凹槽型的主轴箱滑座沿铅垂方向运行，极大的减少了巅覆对主轴箱的冲击，解决主轴箱高速运行时的振动现象。有利于提高工件的加工精度和表面光洁度，没有了巅覆力矩，更能有效的提高Z轴的传动效率。
附图说明
图1为一实施例中可自动更换刀具的主轴功能部件正面意图。
图2为一实施例中可自动更换刀具的主轴功能的内部结构示意图。
图3为图2施例中滑座的横截面图。
图4为图3中滑座与主轴箱安装后的横截面图。
图5为背景技术中传统立式钻铣加工中心的主轴箱截图。
图6为背景技术中传统立式钻铣加工中心的简易原理示意图。
图7为一实施例中安装有本发明可自动更换刀具的主轴功能部件的立式加工中心截图。
图8为一实施例中安装有本发明可自动更换刀具的主轴功能部件的简易原理示意图。
图9为安装有本发明可自动更换刀具的主轴功能部件的立式钻铣加工中心。
图10为图9中的立式钻铣加工中心的连接方式示意图。
图11为安装有本发明可自动更换刀具的主轴功能部件的摇臂铣钻铣加工中心。
图12为为图11中的摇臂铣钻铣加工中心的连接方式示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及附图对本发明的自动更换刀具的主轴功能部件作进一步详细描述。
本发明的可自动更换刀具的主轴功能部件，旨在为机床生产厂家，提供一种刀具交换时间短、偏载力矩小的功能部件(模块)。该主轴功能部件可广泛应用于各种数控立式铣床、数控立式钻床、数控摇臂钻床……，并使之成为相应的加工中心，如立式加工中心、摇臂铣加工中心等。
请参见图1至图4，一种可自动更换刀具的主轴功能部件，其包括滑座1和可沿滑座1的重心方向做铅锤运动的主轴箱2；滑座1上形成有一沿其垂直方向从上往下贯通延伸的安装凹槽101，滑座1一侧的端面形成有一与凹槽101贯通的内凹形缺口，安装凹槽101内连接有一沿铅锤Z方向设置的主轴箱2，主轴箱 2为长方柱形滑枕式，其内安装有主轴总成14；滑座1的且与其内凹形缺口相对的另一侧的侧壁上形成有一可分离与外部加工中心相连接的连接部30。
连接部30包括一呈圆台状的、用于与外部连接结构之间呈间隙配合插接的连接块31，还包括多个均匀分布在连接块31外部的、用于通过紧固件与外部连接结构固定连接的固定块31。
安装凹槽101相对主轴箱2的两个侧壁上分别利用第一螺钉19固定有一线轨滑块16，主轴箱2对应线轨滑块16的位置处分别利用第二螺钉20固定有一沿Z轴方向设置的线性导轨18，线性导轨18与线轨滑块16相耦合可使主轴箱 2被夹持在安装凹槽101内并可沿其重心方向做铅锤运动。
滑座1的顶部安装有电机8、Z向传动模块9和Z向滚珠进给丝杆13；Z向传动模块9驱动Z向滚珠进给丝杆13转动，并带动主轴箱2沿铅锤方向在安装凹槽101内做上下进给运动。
滑座1的上端面安装有刀库支架7、刀库摆动架6和刀库3，；主轴箱2的外侧安装有可供刀库3运动的导向板5；刀库支架7的一端与刀库摆动架6的一端固定连接，刀库摆动架6的另一端与刀库3之间通过一摆动轴4连接。
主轴箱2内还安装有用于刀具交换时松开被拉紧的刀具的打刀臂10和打刀凸轮11，打刀臂10的旋转连接处设置有一向外水平伸出的旋转轴12，旋转轴 12的两末端安装于该数控机床的主轴箱2上；主轴箱2的尾端且靠近主轴总成 14的位置处还设置有用于清洁刀库3上的刀具的喷嘴15。
本发明的可自动更换刀具的主轴功能部件，其主要通过将滑座1、主轴箱2、刀库3和Z轴传动模块于一体，使之成为一种换刀时间短、偏载力矩小、Z速进给速度更快、主轴转速更高的新型功能部件。
现以从国外进口的一种立式钻铣加工中心(俗称小黄机)为例，如图5所示，分析对比一下本发明与小黄机的及国产机(含台湾机)区别。
请同时参见图7至图8，本发明的可自动更换刀具的主轴功能部件，其通过连接部30连接在一立柱90的顶端的外侧壁上，参见图6和图8的偏载力矩对比示意图，其中图6为小黄机(包括国产机、国产台湾机)的结构示意图，图8 为配有本发明可自动更换刀具的主轴功能部件的新型钻铣雕加工中心。机床在加工时，主轴上的刀具在切除工件表面的加工余量时所产生的切削力，其Z向分力Fz，是施加在主轴上的切削分力。对立柱导轨而言，它就是一种偏载力。众所周知，偏载力与偏载距离之积即为偏载力矩。如图6所示：Z轴线性导轨18’到主轴总成14’中心的距离为450mm，这就小黄机的偏载距离，这个距离比较大。而图8中Z轴线性导轨18到主轴总成14中心的距离明显非常小，如图所示只有60mm，两者相差7.5倍之多，也就是说在同等切削条件下，进口小黄机的偏载力矩是本发明的偏载力矩的7.5倍。偏载力矩(扭矩)计算方法详见如下：
1、扭矩计算：Mz＝Fp×L
图6中小黄机：Mz＝Fz×450
图8中配本发明部件的加工中心：Mz＝Fz×60
2、对比结果：在加工力相同的情况下，小黄机Z轴导轨承受的扭矩大约是本发明加工中心的7.5倍。
通过上述计算表明本发明的主轴箱的偏载力矩，远小于传统钻铣加工中心主轴箱的偏载力矩。偏载力矩是主箱振动之源，加工时的振动会随着加工速度、加工力的增加而增大。振幅会直接影响到导轨、主轴轴承的使用寿命，机床刚性和加工性能。为进一步提高主轴箱的刚性，本发明的主轴箱结构采用类似大型龙门机所用的滑枕式高刚性主轴箱结构，其刚性好、可以承受更高转速，加工性能也会有大幅提高。
请参见图9至图10，一立式钻铣加工中心的实施例中，本发明的可自动更换刀具的主轴功能部件可分离与一立式机床相连接，具体的，该机床的上方垂直设置有一第一立柱91，靠近第一立柱91的顶端的外部侧壁上形成有与本方案的连接部30相匹配连接的第一安装部40，只需利用紧固件同时穿过本方案的连接部30与第一安装部40，即可将完成固定连接。
请参见图11至图12，一摇臂铣钻铣加工中心的实施例中，本发明的可自动更换刀具的主轴功能部件可分离与一机床相连接，具体的，该机床的上方垂直设置有一第一立柱92，第一立柱92的顶端可分离连接有一过度连接体80，过度连接体80的外侧壁上朝向本方案的连接部30突出形成有一可与连接部30相匹配连接的第二安装部50，只需利用紧固件同时穿过本方案的连接部30与第二安装部50，即可将完成固定连接。
综上，本发明的可自动更换刀具的主轴功能部件，在实验的基础上优化改进和浓缩了主轴箱与立柱的结构，首先是改立柱为主轴箱滑座，加强布筋，将主轴箱滑座的座体设计成为一个高强度、高刚性、抗弯曲的双层壁的凹槽体，主轴箱在凹槽体内可沿滑座的重心方向做铅锤运动，其次是改悬臂式的主轴箱为长方柱形滑枕式主轴箱，第三是改导轨副的安装方式，将导轨安装在主轴箱两侧与主轴箱重心重平行的对称侧面上，而将两对滑块分别块镶嵌在凹形滑座体两内侧的两端，从而使主轴箱能在零悬臂力矩的情况下，沿铅垂(重心)方向高速运行。解决了悬臂(伸)主轴箱故有的悬臂力矩所造成的主轴箱的低头问题、主轴箱的平衡问题，解决了主轴箱高速运行时的振动现象。而偏截力矩因主轴与导轨距离缩短而也得到了最大程度的改善。配有本发明可自动更换刀具的主轴功能部件的新型钻铣雕加工中心有别于传统钻铣加工中心所采用的直立柱与悬臂(伸)主轴箱的结构与安装方式，使用主轴滑座可最大限度的减少偏载力矩和悬伸力矩对主轴箱运动精度、静态精度和和加工精度的的影响，从而使主轴箱能在零悬臂力矩的情况下，沿铅垂方向高速运行，解决了主轴箱故有的悬臂力矩所造成的主轴箱的低头问题、主轴箱的平衡问题，很好的解决了主轴箱高速运行时的振动现象。
虽然对本发明的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化、是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的精神和范围内。
Claims (6)
1.一种可自动更换刀具的主轴功能部件，其可分离与外部加工机床的床身固定连接，其特征在于，其包括滑座(1)和可沿所述滑座(1)的重心方向做铅锤运动的主轴箱(2)；所述滑座(1)上形成有一沿其垂直方向从上往下贯通延伸的安装凹槽(101)，所述滑座(1)一侧的端面形成有一与所述凹槽(101)贯通的内凹形缺口，所述安装凹槽(101)内连接有一沿铅锤Z方向设置的所述主轴箱(2)，所述主轴箱(2)为长方柱形滑枕式，其内安装有主轴总成(14)；所述滑座(1)的且与其内凹形缺口相对的另一侧的侧壁上形成有一可分离与外部加工机床相连接的连接部(30)。
2.根据权利要求1所述的可自动更换刀具的主轴功能部件，其特征在于，所述安装凹槽(101)相对所述主轴箱(2)的两个侧壁上分别利用第一螺钉(19)固定有一线轨滑块(16)，所述主轴箱(2)对应所述线轨滑块(16)的位置处分别利用第二螺钉(20)固定有一沿Z轴方向设置的线性导轨(18)，所述线性导轨(18)与所述线轨滑块(16)相耦合可使所述主轴箱(2)被夹持在所述安装凹槽(101)内并可沿其重心方向做铅锤运动。
3.根据权利要求1所述的可自动更换刀具的主轴功能部件，其特征在于，所述滑座(1)的顶部安装有电机(8)、Z向传动模块(9)和Z向滚珠进给丝杆(13)；所述Z向传动模块(9)驱动所述Z向滚珠进给丝杆(13)转动，并带动所述主轴箱(2)沿铅锤方向在所述安装凹槽(101)内做上下进给运动。
4.根据权利要求3所述的可自动更换刀具的主轴功能部件，其特征在于，所述滑座(1)的上端面安装有刀库支架(7)、刀库摆动架(6)和刀库(3)，；所述主轴箱(2)的外侧安装有可供所述刀库(3)运动的导向板(5)；所述刀库支架(7)的一端与所述刀库摆动架(6)的一端固定连接，所述刀库摆动架(6)的另一端与所述刀库(3)之间通过一摆动轴(4)连接。
5.根据权利要求4所述的可自动更换刀具的主轴功能部件，其特征在于，所述主轴箱(2)内还安装有用于刀具交换时松开被拉紧的刀具的打刀臂(10)和打刀凸轮(11)；所述主轴箱(2)的尾端且靠近所述主轴总成(14)的位置处还设置有用于清洁所述刀库(3)上的刀具的喷嘴(15)。
6.根据权利要求1-5任一项所述的可自动更换刀具的主轴功能部件，其特征在于，所述连接部(30)包括一呈圆台状的、用于与外部连接结构之间呈间隙配合插接的连接块(31)，还包括多个均匀分布在所述连接块(31)外部的、用于通过紧固件与外部连接结构固定连接的固定块(31)。
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