CN108480733B - 通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆，提供了一种带有特殊的空心动平衡腔室的铣刀杆，通过将补偿材料超细铜粉容纳在腔室中，在短暂的加速时间内利用转动产生的离心力将补偿材料重新分布，绕铣刀杆的旋转轴线成带状，减小铣刀杆的残余不平衡度，能够有效实现铣刀杆在高速旋转过程中的实现快速自动动平衡，能够有效的避免铣刀杆发生轴线偏移，降低铣刀杆偏心幅度，提高铣刀杆的动平衡性能。检测部分主要是轴承平衡保护及检测装置，包括轴承、测量仪，采集器，夹具等，可对补偿材料和特殊空腔结构进行优化设计，提高铣刀杆的自动动平衡性能。

Description

通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆

技术领域

本发明涉及切削加工刀具及其检测装置，尤其涉及通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆及其检测装置。

背景技术

目前，在国内外机械加工领域铣削的应用极其广泛。由于某些零件结构的特殊性和复杂性，需要使用大长径比的铣刀杆完成相应的铣削工作。尤其在航空航天典型零件、汽车发动机箱体类零件、模具加工中会经常使用大长径比的铣刀杆进行深腔和复杂曲面的加工。然而当铣刀杆的长径比超过10，由于铣刀杆悬伸过长，会导致铣刀杆在开始旋转过程中出现轴线偏心摆动或者弯曲变形，引起刀具耐用度的降低和加工表面质量变差。如果铣刀杆轴线偏心超过允许的范围，会导致刀杆弯曲甚至突然断裂。由于铣刀杆悬伸的增加，可考虑缩减铣刀杆的第一临界旋转速度以增加加工稳定性。但是出于安全考虑，大长径比的铣刀杆使用过程一般只能将其转速降低到第一临界速度的60％左右，这将导致加工效率下降。

综上所述，现有技术中对于大长径比高速铣削难以在保证加工效率的条件下解决铣刀杆的轴线偏心问题，实现铣刀杆的自动动平衡。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有被动动平衡技术和加工稳定性控制方法的不足，提供了一种带有特殊的空心动平衡腔室的铣刀杆，通过将补偿材料容纳在腔室中，利用转动产生的离心力将补偿材料重新分布，减小铣刀杆的残余不平衡度，实现铣刀杆在高速旋转过程中的实现快速自动动平衡，可有效避免铣刀杆发生轴线偏移，降低铣刀杆偏心幅度，提高铣刀杆的动平衡性能，并提高加工效率。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆，包括铣刀头和铣刀柄，所述的铣刀柄内部设有空心动平衡腔室，在该腔室内填充有部分补偿材料。在铣刀杆转动加速的离心力的作用下补偿材料分布在动平衡腔室内，围绕铣刀杆的旋转轴线成环状分布，减小铣刀杆的残余不平衡度，有效实现铣刀杆在超高速旋转过程中的快速自动动平衡。

进一步的，所述的铣刀柄为一体式结构，在其内部加工出空心动平衡腔室。

进一步的，所述的铣刀柄包括两节，一节是实心刀柄，另外一节是空心刀柄，两节刀柄连接在一起，所述的空心刀柄内部形成一个动平衡腔室。

进一步的，所述的空心刀柄的外圆尺寸与铣刀柄的尺寸一致，尺寸直径为D。

进一步的，所述的空心刀柄的材料采用高密度减振合金材料，减小铣刀杆的振动问题。

进一步的，所述的空心动平衡腔室设置在靠近铣刀头位置。

进一步的，所述的通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆适用于普通铣刀头。

进一步的，所述的通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆的截面为圆形。

进一步的，所述的空心动平衡腔室的内腔尺寸、长度以及在刀柄上的位置，由填装的补偿材料的种类，密度，重量，粉末的大小决定。

进一步的，所述的填充材料优选的超细金属粉末。

进一步的，为排除铣刀杆旋转过程中出现异常弯曲或断裂，还设计了检测部分，自动动平衡铣刀杆的参数通过检测部分检检测，包括三个轴承、夹具、激光位移传感器；三个轴承沿刀柄圆周方向分布对刀柄进行保护，所述的轴承通过夹具夹持固定，该夹具配有千分尺工具，精准的保证三个保护轴承的位置；所述的铣刀头的动态偏心位置通过激光位移传感器进行检测。

进一步的，三个保护轴承的外圆内端与刀柄外圆之间距离为0.5mm。

本发明的工作原理是：

一种通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆设计有特殊的空心动平衡腔室，内部装有最为补偿材料的超细铜粉，其具有一定的流动性且粘性较小。在铣刀杆转动产生的离心力作用下，超细铜粉在短暂时间内重新分布在空心动平衡腔室内，并围绕铣刀杆的旋转轴线成环状分布，通过材料补偿减小铣刀杆的残余不平衡度，有效的减小铣刀杆轴线偏心的发生，提高铣刀杆的动平衡性能，实现铣刀杆在超高速旋转过程中自动动平衡的要求。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)通过材料补偿实现高速旋转自动动平衡的铣刀杆具有较强的适应能力，可在造价相对降低的情况下制造大长径比，自动动平衡效果好的铣刀杆。

2)空心动平衡腔室可以与多种铣刀杆进行不同方案的改进和组合且不影响铣刀杆的装夹，提高了通用性。

3)空心动平衡腔室结构设计简单方便，可以循环利用。

4)空心动平衡腔室采用减震合金制造，对原有的铣刀杆的刚度不会造成影响，整体性效果好。

5)超细金属粉末作为补偿材料在使用过程中不会发生固化，可以适应不同切削参数的运行条件。

6)采用自动动平衡的铣刀杆后，刀具寿命提高，加工表面质量得到改善。

7)采用自动动平衡的铣刀杆，可进一步提高铣刀杆的长径比，满足深腔和复杂曲面的加工需求，尤其适用于航空航天器生产线以及其他特殊的生产现场。

8)本发明的通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆能够提高生产效率，实现高效、稳定、无偏心铣削加工。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用来解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明中一种通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆及检测装置的总体结构性示意图；

图2、图3为本发明中解释大长径比铣刀杆发生偏心问题的示意图；

图4、图5为本发明中通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆的全剖视图；

图6为本发明中检测部分的三轴保护轴承的结构示意图；

其中，1-机床主轴卡盘，2-一种通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆，3-保护轴承，4-机床平台，5-激光位移传感器，6-铣刀杆的旋转轴线，7-铣刀杆的偏心轴线，8-铣刀柄，9-空心动平衡腔室，10-超细铜粉，11-铣刀头，12-空心刀柄。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中所述的“大长径比”是指长径比大于20的刀杆；所述的“超高速”是指速度大于25000r/min。

正如背景技术所介绍的，现有技术中对于大长径比高速铣削难以在保证加工效率的条件下解决铣刀杆的轴线偏心问题，实现铣刀杆的自动动平衡；为了解决如上的技术问题，本发明根据大长径比的铣刀杆的设计和制造要求，通过设计空心动平衡腔室通过材料补偿，实现提高铣刀杆的动态稳定性，又保证加工效率不降低，可为大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆及检测装置提供了新的思路；具体的，本发明通过材料补偿的高速旋转自动动平衡铣刀杆具有较强的适应能力，可在造价相对降低的情况下制造大长径比悬伸较长的铣刀杆，而且不受切削参数的影响，可适应新的运行条件实现自动动平衡效果。采用本发明后，刀具耐用度提高，加工表面质量得到改善，实现高效、稳定、无偏心铣削加工。该装置可扩展应用于钻削等旋转类加工用刀杆。

实施例1

一种通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆2，包括铣刀柄8和铣刀头11；刀柄一端由机床主轴卡盘卡接，如图2、图3所示，大长径比的铣刀杆在高速旋转的条件下会发生到相当大的铣刀杆的旋转轴线6偏移和弯曲变形，其如图所示的铣刀杆的偏心轴线，铣刀杆的制造误差也会导致绕旋转轴线发生质量分布不均匀。在铣刀杆旋转过程中原重心O点向新的重心W点偏移，最终导致铣刀杆出现整体位移和弯曲。也正是这种变化，改变了刀具的重心偏离，引起铣刀杆的失衡，降低被加工工件的质量。

为满足大长径比高速旋转铣刀杆的动平衡的要求，减小旋转过程中铣刀杆轴线偏心问题，提高铣刀杆的刀具耐用度和加工质量。如图3所示，本发明提供的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆上带有特殊的空心动平衡腔室，该空心动平衡腔室由其他材料单独制作而成的空心刀柄12；具体形状为一个和刀柄外型一致的空心部件，该空心刀柄内部形成一个动平衡腔室，该空心刀柄通过螺纹或者其他连接方式与现有的刀柄相连；在空心动平衡腔室内部装有补偿材料。

优选的，补偿材料可以选用超细铜粉10，优选结果为超细铜粉，总重量为15g，超细铜粉的颗粒大小为20-50μm，密度为8.960g/cm³,杨氏模量116GPa，维氏硬度352MPa；具有一定的粘性和流动性。

具体优选的，空心部件制作材料为减振合金，可以在保障刚度要求的条件下满足减振效果。

所述的特殊空心动平衡腔室9的内腔尺寸和长度由填装的补偿材料的种类，密度，重量，粉末的大小等条件决定，优化选择的内腔的直径应该为0.6-0.7D，内腔的长度为1-2D。

优选的，空心刀柄设置在靠近刀头的位置，空心刀柄一端连接实心刀柄，另一端连接刀头；如图4所示，图4显示的是螺纹连接方式。

在铣刀杆高速旋转产生的在离心力的作用下，超细铜粉在短暂的加速时间内重新分布在动平衡腔室内，并围绕铣刀杆的旋转轴线成环状分布。通过重新分布的铜粉作为补偿材料对整个铣刀杆旋转系统进行偏心的调节，改变质量分布失衡问题，尽量减少残余不平衡度，提高铣刀杆的动平衡性能，有效实现大长径比铣刀杆在超高速旋转过程中快速自动动平衡。另外，将特殊的空心动平衡腔室安装在铣刀头位置，以最大限度地提高铣刀杆实现自动动平衡的有效性。本发明中采用超细铜粉作为补偿材料，不会发生固化，从而可以不断的实现适应新的运行条件，并且迅速做出反应再次达到平衡。

该实施例的方式一般适用于刀柄强度不是很强，没法直接在刀柄上加工空心动平衡腔室的情况。

实施例2

本发明中的中的空心动平衡腔室形成的方式还可以是直接在铣刀柄内部加工出空心动平衡腔室，再在空心动平衡腔室内部填充有作为补偿材料的超细铜粉，这种方式可能会导致刀柄的强度降低，因此，这种方式一般使用的条件是，在铣刀柄具有足够强度的提前下，可以直接在铣刀柄内部直接加工出空心动平衡腔室。

其余部分可以参考实施例1设置。

实施例3

本发明中需要对补偿材料和特殊空腔结构进行优化设计，提高铣刀杆的自动动平衡性能，从而需要相关的检测装置；如图4所示，通过相关的保护装置和检测仪器对设计的大长径比自动动平衡铣刀杆在临界转速条件下进行相关参数的优化。利用高速数控铣床实现铣刀杆的高速旋转。为排除在加速到临界速度前发生铣刀杆的过度偏心和弯曲，防止铣刀杆的突然断裂，采用三个保护轴承3对铣刀杆的轴线偏转进行一定范围内的约束，同时也能保证铣刀杆的自由旋转。三个保护轴承3的外圆内端与铣刀杆外圆之间距离为0.5mm，当铣刀杆高速旋转过程中如果轴线偏移超过0.5mm，保护轴承就会起到保护作用，避免轴线偏移进一步的增大。所述的检测部分固定轴承夹具配有千分尺工具，可以精准的保证三个保护轴承的位置。检测部分配有optoNCDT 2300-20激光位移传感器5，扫描频率为20kHz，分辨率为0.3μm，可精确测量铣刀头的动态偏心位置。本发明中优化得到的材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆能够提高生产效率，实现高效、稳定、无偏心铣削加工。

进一步的，实施例1、实施例2中的自动动平衡铣刀杆，在一定的转速范围内，转速越高，达到自动动平衡时间越短。

进一步的，实施例1、实施例2中的自动动平衡铣刀杆适用于普通机床和数控机床。

以上所述仅为本申请的优选实例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆，包括铣刀头和铣刀柄，其特征在于，所述的铣刀柄内部设有空心动平衡腔室，空心动平衡腔室为一个和刀柄外型一致的空心部件，在该腔室内填充有部分补偿材料，在铣刀杆转动加速的离心力的作用下补偿材料分布在动平衡腔室内，围绕铣刀杆的旋转轴线成环状分布；

所述的填充的补偿材料为超细金属粉末。

2.如权利要求1所述的一种通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆，其特征在于，所述的铣刀柄为一体式结构，在其内部加工出空心动平衡腔室。

3.如权利要求1所述的一种通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆，其特征在于，所述的铣刀柄包括两节，一节是实心刀柄，另外一节是空心刀柄，两节刀柄连接在一起，所述的空心刀柄内部形成一个动平衡腔室。

4.如权利要求3所述的一种通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆，其特征在于，所述的空心刀柄的外圆尺寸与铣刀柄的尺寸一致，尺寸直径为D。

5.如权利要求3所述的一种通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆，其特征在于，所述的空心刀柄的材料采用高密度减振合金材料，减小铣刀杆的振动问题。

6.如权利要求1-5任一所述的一种通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆，其特征在于，所述的空心动平衡腔室设置在靠近铣刀头位置。

7.如权利要求1-5任一所述的一种通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆，其特征在于，所述的空心动平衡腔室的内腔尺寸、长度以及在刀柄上的位置，由填装的补偿材料的种类，密度，重量，粉末的大小决定。

8.如权利要求1-5任一所述的一种通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆，其特征在于，所述自动动平衡铣刀杆的参数通过检测部分检测。

9.如权利要求8所述的一种通过材料补偿的大长径比超高速旋转自动动平衡铣刀杆，其特征在于，所述的检测部分包括三个轴承、夹具、激光位移传感器；三个轴承沿刀柄圆周方向分布对刀柄进行保护，所述的轴承通过夹具夹持固定，该夹具配有千分尺工具，精准的保证三个保护轴承的位置；所述的铣刀头的动态偏心位置通过激光位移传感器进行检测。

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