CN109277829A - 一种高效数控纵切车铣复合加工机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效数控纵切车铣复合加工机床，该机床包括主轴系统、背轴系统、刀具系统和床身；主轴系统和背轴系统安装在床身的两端，刀具系统安装在床身上且位于主轴系统和背轴系统之间；主轴系统能够沿Z向往复运动且夹持的工件绕Z向轴线转动；背轴系统能够沿Z向和X向往复运动且夹持的工件绕Z向轴线转动；刀具系统具有包括立柱和两个移动平台，立柱中部的通孔中安装为工件提供支撑的动力导套，两个移动平台分别位于动力导套的左右两侧并与背轴系统相对，移动平台具有X向和Y向的平移功能且装有加工刀具。本发明能够完成对三维微小型复杂回转体异构件的车、铣复合加工。

Description

一种高效数控纵切车铣复合加工机床

技术领域

本发明涉及一种复合加工机床，具体涉及一种数控纵切车铣复合加工机床，属于机械加工制造技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展，精密化、微小型化、轻量化已经成为航空、航天、船舶、兵器等领域的发展趋势，三维复杂精密微小型结构件在各领域中的应用越来越广泛。三维复杂精密微小型结构件作为武器装备的核心关键部件，加工质量直接影响着武器装备的性能。三维复杂精密微小型结构件具有需求量大、加工难度大、加工工序多、加工尺寸小、加工结构复杂等特点，要求零件加工精度高，并且需要多次装夹才能完成加工。为解决上述加工难题，实现三维复杂精密微小型结构件的高效、高精度的加工，这就要求加工设备具有高效率、高精度、高转速、多功能、多工艺复合的特点，如应具有车、铣、车铣、磨、车磨、抛、钻、镗等功能，同时拥有多轴控制、多排刀加工功能。

目前，传统常规尺寸的精密机床多数没有在一台机床上集成上述多种功能，难以实现一次装夹的完整高效、高精度加工，且其价格很高，不宜用于三维复杂精密微小型结构件。因此，有必要研制一种高效数控纵切微小型车铣复合加工机床来满足三维复杂精密微小型结构件的高效、高精度、多工艺复合加工的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高效数控纵切车铣复合加工机床，能够完成对三维微小型复杂回转体异构件的车、铣、车铣、磨、车磨、抛、钻、镗等功能。

一种高效数控纵切车铣复合加工机床，该机床包括主轴系统、背轴系统、刀具系统和床身；主轴系统和背轴系统安装在床身的两端，刀具系统安装在床身上且位于主轴系统和背轴系统之间，令床身长度方向为Z向，水平面内垂直于Z向为X向，垂直于ZX平面为Y向；所述主轴系统能够沿Z向往复运动且夹持的工件绕Z向轴线转动；所述背轴系统能够沿Z向和X向往复运动且夹持的工件绕Z向轴线转动；所述刀具系统具有包括立柱和两个移动平台，立柱中部的通孔中安装为工件提供支撑的动力导套，两个移动平台分别位于动力导套的左右两侧并与背轴系统相对，移动平台具有X向和Y向的平移功能且装有加工刀具。

进一步地，所述主轴系统包括主轴、主轴箱和Z轴移动平台，其中Z轴移动平台由导轨和轴座组成；Z轴移动平台水平安装在床身上表面，主轴箱水平安装在Z轴移动平台上，且主轴箱与Z轴移动平台的导轨相配合并能沿Z向移动；主轴安装在主轴箱内，且主轴带工件绕Z轴旋转。

进一步地，所述背轴系统包括背轴、背轴箱、Z轴移动平台和X轴移动平台，其中Z轴移动平台和X轴移动平台均由导轨和轴座组成；X轴移动平台水平安装在床身上表面，Z轴移动平台水平安装在X轴移动平台上，Z轴移动平台与X轴移动平台的导轨相配合并能沿着X方向移动；背轴箱水平安装在Z轴移动平台上，背轴箱与Z轴移动平台的导轨相配合并能沿着Z方移动；背轴安装在背轴箱内，且背轴带工件绕Z轴旋转。

进一步地，所述刀具系统中的一个移动平台上安装车刀架、动力铣刀和高频铣削装置，车刀架在移动平台的带动下能沿着X方向进给运动，沿Y方向上下运动，实现主轴车削功能；动力铣刀随着移动平台沿X向轴向进给运动，沿Y向径向进给运动，动力铣刀绕X轴旋转，实现铣削和车铣功能；高频铣削装置随移动平台沿X向进给运动，沿Y向上下运动，高频铣削装置绕Z轴旋转，实现高频铣削功能；

刀具系统中另一个移动平台上安装两列刀具，每列刀具由车刀架、动力铣刀和立铣刀组成；其中一列刀具的车刀架实现主轴、背轴车削功能；动力铣刀绕X轴旋转，实现铣削、车铣功能；立铣刀绕Z轴旋转，实现铣削功能；另一列刀具中的车刀架实现背轴车削功能；动力铣刀实现铣削、车铣功能；立铣刀绕Z轴旋转，实现铣削功能。

进一步地，所述机床通过控制系统来实现主轴系统、背轴系统和刀具系统在X、Y和Z三向的位移控制，使用光栅进行分辨率达到1nm的位置精度检测，并将检测信息实时反馈控制系统。

有益效果：

1、本发明通过对主轴系统、背轴系统和刀具系统的合理布局设置能够完成对三维微小型复杂回转体异构件的高效、高精度完整加工。可实现车、铣、车铣、磨、车磨、抛、钻、镗等功能，克服了普通加工机床不能同时完成车铣磨抛等工序。

2、本发明取消自动换刀刀库，采用可重配置多排刀架、可重配置多动力铣头微小型刀具配置，减少了换刀和转位时间，提高了加工效率。

3、本发明采用双主轴加工，主轴加工与背轴加工完全独立加工，根据零件加工工艺，左刀排架可服务于主轴加工，右刀排架可服务于背轴加工，主轴加工与背轴加工可同时进行，不需要等待主轴或者背轴完成后在加工，减少了加工时间，提高了效率。

4、本发明采用读数头和光栅尺来检测五轴的运动，从而实现对工件的高精度定位。

5、本发明增加了高频电主轴铣削，对于微小型零件可以实现更高切削速度的加工，从而获得更好的表面加工质量。

附图说明

图1为本发明机床的整体结构图；

图2为本发明的机床刀架结构主视图；

图3为本发明的机床刀架结构左视图。

其中，1-Z1轴座、2-Z1轴导轨、3-主轴箱、4-主轴、5-立柱、6-背轴、7-背轴箱、8-Z4轴导轨、9-Z4轴座、10-X4轴导轨、11-X4轴座、12-床身、13-X1/Y1移动平台、14-左车刀架、15-左动力铣刀、16-高频铣削装置、17-动力导套、18-第一右立铣刀、19-第一右动力铣刀、20-第二右立铣刀、21-第二右动力铣刀、22-第二右车刀架、23-X2/Y2移动平台、24-第一右车刀架。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种高效数控纵切车铣复合加工机床，机床包括主轴系统、背轴系统、刀具系统和床身12；主轴系统和背轴系统安装在床身的两端，刀具系统安装在床身上且位于主轴系统和背轴系统之间，令床身长度方向为Z向，水平面内垂直于Z向为X向，垂直于ZX平面为Y向，该机床的坐标系分X、Y、Z三维空间坐标系。该机床有七个直线轴，分别是X1轴、X2轴、X4轴、Y1轴、Y2轴、Z4轴七个直线轴，以及两个旋转轴S1轴和S2轴，且两个旋转轴绕Z轴旋转。

主轴系统包括S1主轴4、主轴箱3和Z1轴移动平台，其中Z1轴移动平台是由Z1轴导轨2和Z1轴座1组成；Z1轴移动平台水平安装在床身12上表面，主轴箱3水平安装在Z1轴移动平台上，且主轴箱3与Z1移动平台的导轨2相配合并能沿着Z1方向移动；S1主轴4安装在主轴箱3内，且S1主轴4能带着工件绕Z轴旋转。

背轴系统包括S2背轴6、背轴箱7、Z4轴移动平台和X4轴移动平台，其中Z4轴精密移动平台由Z4轴导轨和Z4轴座9组成，X4轴移动平台由X4轴导轨10和X4轴轴座11组成；X4轴移动平台水平安装在床身12上表面，Z4轴移动平台水平安装在X4轴移动平台上，且Z4轴移动平台与X4轴移动平台的导轨10相配合并能沿着X4方向移动；同时，背轴箱7水平安装在Z4轴移动平台上，且背轴箱7与Z4轴移动平台的导轨8相配合并能沿着Z4方向移动；S2背轴6安装在背轴箱7内，且S2背轴6能带着工件绕Z轴旋转。

如附图2和3所示，刀具系统包括X1/Y1移动平台13、X2/Y2移动平台23、动力导套17、立柱5、左刀排架和右刀排架；其中左刀排架包括左车刀架14、左动力铣刀15和高频铣削装置16；右刀排架包括第一右立铣刀18、第一右动力铣刀19、第二右立铣刀20、第二右动力铣刀21、第二右车刀架23、第一右车刀架124。

立柱5安装在床身12的中间部位，且机床的刀架是可重配置的。X1/Y1轴移动平台13垂直安装在立柱5上，左车刀架14安装在X1/Y1轴移动平台13上，且左车刀架14与X1/Y1轴移动平台13的导轨相配合并能沿着X方向进给运动，沿Y方向上下运动，实现主轴4车削功能；左动力铣刀15安装在X1/Y1轴移动平台13上，且能随着X1/Y1轴移动平台13沿X向轴向进给运动，沿Y向径向进给运动，左动力铣刀15绕X轴旋转，实现铣削、车铣功能；高频铣削装置16安装在X1/Y1轴移动平台13，且能随着X1/Y1轴移动平台13沿X向进给运动，沿Y向上下运动，高频铣削加工绕Z轴旋转，实现高频铣削功能。X2/Y2轴移动平台23垂直安装在中间刀架机床立柱5上，第一右车刀架24安装在X2/Y2轴的精密移动平台23上，且第一右车刀架24能沿着X向进给运动，沿Y向上下运动，实现主轴4、背轴6车削功能；第一右动力铣刀19安装在X2/Y2轴移动平台23上，且第一右动力铣刀19能沿着X向轴向进给运动，沿Y向径向进给运动，绕X轴旋转，实现铣削、车铣功能；第一右立铣刀18安装在X2/Y2轴移动平台23上，且第一右立铣刀18能沿着X向径向进给运动，沿Y向径向进给运动，绕Z轴旋转，实现铣削功能。第二右车刀架22安装在X2/Y2轴移动平台23上，且第二右车刀架22能沿着X向进给运动，沿Y向上下运动，实现背轴6车削功能；第二右动力铣刀21安装在X2/Y2轴移动平台23上，且第二右动力铣刀21能沿着X向轴向进给运动，沿Y向径向进给运动，绕X轴旋转，实现铣削、车铣功能；第二右立铣刀20安装在X2/Y2轴移动平台23上，且第二右立铣刀20能沿着X向径向进给运动，沿Y向径向进给运动，绕Z轴旋转，实现铣削功能。

机床使用光栅进行位置精度检测，分辨率达到1nm，检测装置包括Z1轴光栅读数头、Z1轴光栅尺、Z4轴光栅读数头、Z4轴光栅尺、X1轴光栅读数头、X1轴光栅尺、X2轴光栅读数头、Y1轴光栅读数头、Y1轴光栅尺、Y2轴光栅读数头、Y2轴光栅尺、X4轴光栅读数头、X4轴光栅尺，检测装置能够实现对X、Y、Z的位置检测，同时反馈给控制系统。

在金属切削加工中，刀具的运动轨迹相对于工件的中轴线是垂直的，也就是在车削加工中工件是旋转和移动的，车刀不需要跟随工件移动。主要包括主轴加工工件和背轴加工工件两种情况，具体加工过程如下：

主轴加工工件时，加工轴为X1轴、Y1轴、X2轴、Y2轴、Z1轴和主轴4。S1主轴4夹紧棒料工件，带动工件旋转，同时Z1轴移动平台带动主轴箱3沿Z轴移动，进而带动工件沿Z轴进给运动；同时X1/Y1移动平台13带动左排刀架沿X轴、Y轴移动，其左刀排架包括左动力铣刀15、左车刀架14、高频铣削装置16；X2/Y2移动平台23带动右刀排架沿X轴、Y轴移动，其中参与主轴加工的右刀排架包括第一右动力铣刀19、第一右车刀架24和第一右立铣刀18。通过五个直线轴X1轴、Y1轴、Z1轴、X2轴、Y2轴的移动和一个主轴4的旋转运动完成六轴五联动加工，进而完成工件的车削、铣削、车铣、镗孔、钻孔等工序的加工。

背主轴加工工件时，加工轴为X2、Y2轴、X4轴、Z4轴以及背轴6。背轴6夹紧工件，带动工件旋转，同时X4轴移动平台和Z4轴移动平台带动背轴6沿X轴、Z轴移动，进而带动工件沿X轴进给运动和Z轴进给运动；同时X2/Y2移动平台23带动右刀排架沿X轴、Y轴移动，其中参与背轴加工的右刀排架包括第二右车刀架22、第二右动力铣刀21、第二右立铣刀20；铣削电机旋转带动右刀排架上的第二右动力铣刀21和第二右立铣刀20旋转运动。通过四个直线轴X2轴、Y2轴、X4轴、Z4轴和一个背轴6旋转运动完成五轴联动加工，进而完成工件的车削、铣削、车铣、钻孔、镗孔的加工。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高效数控纵切车铣复合加工机床，其特征在于，该机床包括主轴系统、背轴系统、刀具系统和床身；主轴系统和背轴系统安装在床身的两端，刀具系统安装在床身上且位于主轴系统和背轴系统之间，令床身长度方向为Z向，水平面内垂直于Z向为X向，垂直于ZX平面为Y向；所述主轴系统能够沿Z向往复运动且夹持的工件绕Z向轴线转动；所述背轴系统能够沿Z向和X向往复运动且夹持的工件绕Z向轴线转动；所述刀具系统具有包括立柱和两个移动平台，立柱中部的通孔中安装为工件提供支撑的动力导套，两个移动平台分别位于动力导套的左右两侧并与背轴系统相对，移动平台具有X向和Y向的平移功能且装有加工刀具。

2.如权利要求1所述的高效数控纵切车铣复合加工机床，其特征在于，所述主轴系统包括主轴、主轴箱和Z轴移动平台，其中Z轴移动平台由导轨和轴座组成；Z轴移动平台水平安装在床身上表面，主轴箱水平安装在Z轴移动平台上，且主轴箱与Z轴移动平台的导轨相配合并能沿Z向移动；主轴安装在主轴箱内，且主轴带工件绕Z轴旋转。

3.如权利要求1或2所述的高效数控纵切车铣复合加工机床，其特征在于，所述背轴系统包括背轴、背轴箱、Z轴移动平台和X轴移动平台，其中Z轴移动平台和X轴移动平台均由导轨和轴座组成；X轴移动平台水平安装在床身上表面，Z轴移动平台水平安装在X轴移动平台上，Z轴移动平台与X轴移动平台的导轨相配合并能沿着X方向移动；背轴箱水平安装在Z轴移动平台上，背轴箱与Z轴移动平台的导轨相配合并能沿着Z方移动；背轴安装在背轴箱内，且背轴带工件绕Z轴旋转。

4.如权利要求3所述的高效数控纵切车铣复合加工机床，其特征在于，所述刀具系统中的一个移动平台上安装车刀架、动力铣刀和高频铣削装置，车刀架在移动平台的带动下能沿着X方向进给运动，沿Y方向上下运动，实现主轴车削功能；动力铣刀随着移动平台沿X向轴向进给运动，沿Y向径向进给运动，动力铣刀绕X轴旋转，实现铣削和车铣功能；高频铣削装置随移动平台沿X向进给运动，沿Y向上下运动，高频铣削装置绕Z轴旋转，实现高频铣削功能；

刀具系统中另一个移动平台上安装两列刀具，每列刀具由车刀架、动力铣刀和立铣刀组成；其中一列刀具的车刀架实现主轴、背轴车削功能；动力铣刀绕X轴旋转，实现铣削、车铣功能；立铣刀绕Z轴旋转，实现铣削功能；另一列刀具中的车刀架实现背轴车削功能；动力铣刀实现铣削、车铣功能；立铣刀绕Z轴旋转，实现铣削功能。

5.如权利要求1所述的高效数控纵切车铣复合加工机床，其特征在于，所述机床通过控制系统来实现主轴系统、背轴系统和刀具系统在X、Y和Z三向的位移控制，使用光栅进行分辨率达到1nm的位置精度检测，并将检测信息实时反馈控制系统。