CN109702253A - 一种抗振卧式面铣削系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗振卧式面铣削系统及方法，它解决了现有技术中卧式铣削系统抗振性能较差、加工效率较低的问题，具有能够同时提高其静刚度、动刚度和阻尼，且能够提高抗振性能的优点；其技术方案为：包括用于加工工件的减振刀具、用于固定工件的夹持工装、用于支撑工件的辅助支撑，减振刀具包括一体式的刀杆，所述刀杆表面覆盖有金属基纳米多层结构；夹持工装包括多个均匀布置的辅助锁紧装置；辅助支撑具有能够减小工件振动的浮动机构。

Description

一种抗振卧式面铣削系统及方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种抗振卧式面铣削系统及方法。

背景技术

卧式面铣削系统一般应用于铸铁、铝合金等材料的平面粗、精加工。被加工件具有空间尺寸大、结构形状复杂等特点，如各种形式的槽腔、凸缘或空间复杂曲面等。面铣削过程中产生的离心力和动态铣削力等载荷易激发系统的振动问题。同时，在加工长悬伸工件的内孔或内腔面时，卧式铣削系统的刀具一般有较大的长径比、大重量与弱刚性等特点，进一步加剧了振动的剧烈程度，影响零件的加工效率与加工质量。

而对于(长悬臂)刀具的振动控制问题，发明人发现，现有技术采用的振动抑制的方法一般以牺牲刀具的静刚度为代价，来提高刀具的阻尼和动刚度。例如：将刀杆的内部设置成空腔，其中填充阻尼材料、安装吸振系统或者分层布置不同属性的材料，从而提高刀具的阻尼性能，满足吸振、抑振的目的。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种抗振卧式面铣削系统及方法，其具有能够同时提高其静刚度、动刚度和阻尼，且能够提高抗振性能的优点。

本发明采用下述技术方案：

一种抗振卧式面铣削系统，包括：

用于加工工件的减振刀具，包括一体式的刀杆，所述刀杆表面覆盖有金属基纳米多层结构；

用于固定工件的夹持工装，包括多个均匀布置的辅助锁紧装置；

用于支撑工件的辅助支撑，其具有能够减小工件振动的浮动机构。

进一步的，所述刀杆一端用于与机床主轴固定，另一端安装有刀盘；

所述刀杆安装刀盘的一端具有变截面段。

进一步的，所述变截面段的周向间隔开设多个卡槽，所述卡槽内设有硬质合金条。

进一步的，所述夹持工装包括底板，底板上方对称安装支撑板，所述支撑板一侧连接有用于固定工件的安装板；

所述辅助锁紧装置固定于安装板相背于支撑板的一侧。

进一步的，所述支撑板与安装板之间固定加强筋。

进一步的，所述辅助锁紧装置包括间隔设置的锁紧支撑杆、辅助支撑杆，所述锁紧支撑杆与锁紧滑块可拆卸连接。

进一步的，所述锁紧滑块开设有导向槽孔，锁紧支撑杆穿过所述导向槽孔并与锁紧螺母相连；

所述锁紧滑块一侧具有用于压紧工件的凸起块。

进一步的，所述辅助支撑包括底座，所述浮动机构设于底座内部且与支撑块相连；

所述底座一侧具有对浮动机构起限位作用的限位件。

进一步的，所述浮动机构包括升降支撑杆和弹簧，所述升降支撑杆与底座之间设置弹簧；

所述支撑块的上方对称安装有垫片。

一种抗振卧式面铣削系统的使用方法，包括以下步骤：

将减振刀具与机床主轴相连，将固定有辅助支撑的夹持工装安装于机床工作台上，通过导轨实现夹持工装与减振刀具间距离的调整；

旋转辅助锁紧装置的锁紧螺母，使锁紧滑块远离安装板；将工件通过螺栓与夹持工装固定，之后反向旋转锁紧螺母，使锁紧滑块压紧工件；

启动机床，机床主轴带动减振刀具旋转，减振刀具的刀盘对工件的某平面进行铣削加工。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明减振刀具的刀杆采用一体式镶嵌结构，既可以使刀杆免于内部空腔的加工，简化制造刀杆的复杂工艺、节约成本，又能保证刀具的静刚度，同时提高刀具的动刚度；且在刀杆外表面覆盖金属基纳米多层结构，能够增加刀具的刚度和阻尼性能；

(2)本发明的辅助支撑具有浮动机构，能够抑制铣削加工的剧烈程度，且能应用于其他加工形式中，达到为长悬臂工件辅助支撑的作用；

(3)本发明的夹持工装具有辅助夹紧机构，能够将工件稳定固定，减小加工过程中的振动。

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于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的剖面图；

图3为本发明实施例的减振刀具结构示意图；

图4为本发明实施例的减振刀具剖面图；

图5为本发明实施例的刀杆结构示意图；

图6为本发明实施例的硬质合金条结构示意图；

图7为本发明实施例的安装有工件的夹持工装结构示意图；

图8为本发明实施例的夹持工装结构示意图；

图9-图10为本发明实施例的锁紧滑块结构示意图；

图11为本发明实施例的工件结构示意图；

图12为本发明实施例的工件剖面图；

图13为本发明实施例的辅助支撑结构示意图；

图14为本发明实施例的辅助支撑剖面图；

图15-图16为本发明实施例的垫片结构示意图；

图17-图18为本发明实施例的支撑块结构示意图；

图19-图20为本发明实施例的顶丝结构示意图；

图21-图22为本发明实施例的底座结构示意图；

其中，1、机床，2、减振刀具，3、夹持工装，4、工件，5、辅助支撑，6、刀杆，7、金属基纳米多层结构，8、硬质合金条，9、刀盘，10、卡槽，11、加强筋，12、支撑板，13、底板，14、安装板，15、锁紧支撑杆，16、辅助支撑杆，17、锁紧滑块，18、锁紧螺母，19、安装孔，20、导向槽孔，21、凸起块，22、被加工平面，23、垫片，24、支撑块，25、顶丝，26、底座，27、升降支撑杆，28、顶盖，29、弹簧，30、移动槽。

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。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在卧式铣削系统抗振性能较差、加工效率较低的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种抗振卧式面铣削系统及方法。

实施例一：

本实施例提供了一种抗振卧式面铣削系统，尤其适用于长悬臂工件，如图1-图22所示，包括减振刀具2、夹持工装3、辅助支撑5，减振刀具2安装于卧式铣床主轴上，其中，机床1为现有的机床设备，根据实际工件4的被加工要求选择。夹持工装3安装在机床1的工作台上，辅助支撑5与夹持工装3可拆卸连接。

由于减振刀具2与工件4之间的相互作用，会产生动态铣削力和离心力等载荷，导致系统的受迫振动和颤振的发生。为了抑制铣削振动，提高加工质量和加工精度，所述减振刀具2包括刀杆6、刀盘9，刀杆6采用一体镶嵌式结构，使刀杆6省去内部空腔的加工，既能简化刀杆的制造工艺、节省成本，又能保证刀具的静刚度，提高刀具的动刚度。

由于切削稳定性的最大切深为a_lim＝2D/0.8μcosγ，其中，刀杆6的动动刚度D＝ζK＝3ζ(EI)_equiv/l³，刀杆6的固有频率

式中，K为弯曲刚度，ζ为阻尼比，(EI)_equiv为等效弯曲刚度，l为刀杆的悬伸长度，(ρs)_equiv为刀杆的等效面密度。

因此，降低刀杆6的质量、增大其阻尼和刚度，可以提高切削的最大稳定切深。

进一步的，所述刀杆6包括一体的锥形段和变截面段，锥形段一端用于连接机床主轴，变截面段一端安装刀盘9，刀盘9用于铣削加工工件4。

刀杆6的变截面段由多段直径不同的圆柱段组成，且其直径从锥形段一侧向另一侧逐渐减小，如图3和图4所示；设计的变截面段与等圆柱结构相比，减少了材料的使用量，减小了刀杆6的重量，有利于切削稳定加工，同时可以防止与被加工件内腔面间干涉的发生。

在本实施例中，变截面段分为三段。

可以理解的，在其他实施例中，变截面的段数、截面的直径大小与长度具体根据实际加工需要而定。

刀杆6的变截面段表面沿长度方向上间隔开设若干卡槽10，卡槽10内镶嵌有硬质合金条8，以提高刀具的刚度。

所述卡槽10为阶梯槽，硬质合金条8的形状与卡槽10相适配。

在本实施例中，刀杆6表面加工六个卡槽10；可以理解的，在其他实施例中，刀杆6表面的卡槽10数量可以为6个以上或以下，具体根据选择的刀杆6直径而定。

所述刀杆6表面覆盖有金属基纳米多层结构7，一方面能够提高刀杆6的阻尼性能，另一方面增加了刀杆6的刚性。

金属基纳米多层结构7由金属基复合材料制成。金属基复合材料为采用等离子体增强化学气相沉积方法得到晶粒尺寸小于20nm的复合材料，有利于晶界滑动，提高阻尼性能，达到抑振的目的。金属基体提供高的弹性模量，且金属基体与基体之间的边界界面产生的内部摩擦增强了其阻尼性能。

优选地，所述刀杆6选用高弹性模量的高速钢材料，夹持工装3采用45号钢制成。

所述夹持工装3包括底板13、支撑板12、安装板14、加强筋11和辅助锁紧装置，如图7和图8所示，安装板14垂直固定于底板13的上方，支撑板12固定于安装板14一侧，辅助锁紧装置安装于安装板14另一侧。

在本实施例中，支撑板12有两个，且二者关于安装板14的中心线对称安装；支撑板12内侧(两个支撑板12相对的一侧)与安装板14之间连接有若干加强筋11。通过设置支撑板12和加强筋11，能够稳定固定工件4，起到了稳定支撑的作用，同时可以改变夹持工装3的模态参数，使其一阶固有频率与切削时的转频相远离，避免铣削加工时共振的发生。

每个支撑板12与安装板14之间的加强筋11的个数可根据实际工件4要求而定。

安装板14的中心具有圆孔，所述圆孔尺寸与工件4对应。

底板13表面具有用于安装辅助支撑5的安装孔19。

优选地，所述安装孔19为螺纹孔。

辅助锁紧装置为多个，且均匀分布于安装板14侧面。

在本实施例中，为了稳定夹持工件4，安装板14侧面固定有四个辅助锁紧装置；需要说明的是，在其他实施例中，辅助锁紧装置可以为两个、三个或其他数量，只要能够满足对工件4的固定作用即可。

每个辅助锁紧装置均包括锁紧支撑杆15、辅助支撑杆16、锁紧滑块17和锁紧螺母18，锁紧支撑杆15、辅助支撑杆16间隔一定距离设置，锁紧支撑杆15位于辅助支撑杆16内侧(靠近安装板14的中心一侧)；二者一端与安装板14固定，且锁紧支撑杆15、辅助支撑杆16的固定点与安装板14的中心在一条直线上。

锁紧支撑杆15的长度大于辅助支撑杆16，所述锁紧支撑杆15与锁紧滑块17可拆卸连接。

进一步的，所述锁紧滑块17开设有导向槽孔20，锁紧支撑杆15穿过所述导向槽孔20并与锁紧螺母18相连；

所述锁紧滑块17一侧具有凸起块21，凸起块21位于导向槽孔20一端，用于卡住工件4。

导向槽孔20另一端带有与辅助支撑杆16相配合的移动槽30，所述移动槽30的深度由辅助支撑杆16与锁紧滑块17接触的工件表面的高度差决定，使辅助支撑杆16插入到移动槽30中，用于限制锁紧滑块的转动。

旋转锁紧螺母18，使锁紧滑块17向靠近或远离工件4的方向运动；需要夹紧工件4时，通过旋转锁紧螺母18，使锁紧滑块17一端的凸起块21卡住工件4，锁紧滑块17另一端的移动槽30与辅助支撑杆16接触，起到对锁紧滑块17的支撑与限位作用。

在本实施例中，锁紧滑块17为整体呈长方体的块状结构；可以理解的，在其他实施例中，锁紧滑块17也可以为其他形状，只要能够压紧工件4即可。

所述辅助支撑5包括底座26、浮动机构和支撑块24，底座26内部开设有空腔，浮动机构设置于所述空腔中。

在本实施例中，底座26呈圆柱形，其内部空腔也为圆柱形。

底座26上方安装顶盖28。

所述浮动机构包括升降支撑杆27和弹簧29，所述升降支撑杆26一端与底座26之间设置弹簧29，起到上下浮动的作用，能够减小工件4加工过程中的振动；其另一端穿过所述顶盖28与支撑块24固定连接，例如螺栓连接。

底座26的外圆柱面一侧开孔，限位件穿过所述开孔延伸至底座26内部空腔并能够与升降支撑杆27接触。

进一步的，所述限位件为顶丝25，通过旋转顶丝25，防止在工作中升降支撑杆26的转动，同时，顶丝25抵住升降支撑杆26，防止其上下浮动过大。

在本实施例中，为了稳定支撑工件4，支撑块24为V型块；可以理解的，在其他实施例中，支撑块24也可以为其他结构，例如U型块。

V型块的上方对称安装有垫片23，共有两个垫片23。

进一步的，垫片23与V型块通过螺栓连接。

在本实施例中，所述垫片23为铜片，铜片与工件4接触，防止工件表面产生刮痕，破坏其表面质量；可以理解的，垫片23也可以选择其他软质的金属材质。

本申请的使用方法为：

首先，将减振刀具2与机床主轴相连，将固定有辅助支撑5的夹持工装3安装于机床1的工作台上并可以通过机床导轨调节与减振刀具2间的距离，辅助支撑5支撑长悬臂工件的端部。

然后，旋转辅助锁紧装置的锁紧螺母18，使锁紧滑块17远离安装板14；将工件4通过螺栓与夹持工装3的安装板14固定，之后反向旋转锁紧螺母18，使锁紧滑块17的凸起块21卡住工件4。

最后，启动机床1，机床主轴带动减振刀具2旋转，减振刀具2的刀盘5对工件4的被加工平面22进行铣削加工。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗振卧式面铣削系统，其特征在于，包括：

用于加工工件的减振刀具，包括一体式的刀杆，所述刀杆表面覆盖有金属基纳米多层结构；

用于固定工件的夹持工装，包括多个均匀布置的辅助锁紧装置；

用于支撑工件的辅助支撑，其具有能够减小工件振动的浮动机构。

2.根据权利要求1所述的一种抗振卧式面铣削系统，其特征在于，所述刀杆一端用于与机床主轴固定，另一端安装有刀盘；

所述刀杆安装刀盘的一端具有变截面段。

3.根据权利要求2所述的一种抗振卧式面铣削系统，其特征在于，所述变截面段的周向间隔开设多个卡槽，所述卡槽内设有硬质合金条。

4.根据权利要求1所述的一种抗振卧式面铣削系统，其特征在于，所述夹持工装包括底板，底板上方对称安装支撑板，所述支撑板一侧连接有用于固定工件的安装板；

所述辅助锁紧装置固定于安装板相背于支撑板的一侧。

5.根据权利要求4所述的一种抗振卧式面铣削系统，其特征在于，所述支撑板与安装板之间固定加强筋。

6.根据权利要求1或4所述的一种抗振卧式面铣削系统，其特征在于，所述辅助锁紧装置包括间隔设置的锁紧支撑杆、辅助支撑杆，所述锁紧支撑杆与锁紧滑块可拆卸连接。

7.根据权利要求6所述的一种抗振卧式面铣削系统，其特征在于，所述锁紧滑块开设有导向槽孔，锁紧支撑杆穿过所述导向槽孔并与锁紧螺母相连；

所述锁紧滑块一侧具有用于压紧工件的凸起块。

8.根据权利要求1所述的一种抗振卧式面铣削系统，其特征在于，所述辅助支撑包括底座，所述浮动机构设于底座内部且与支撑块相连；

所述底座一侧具有对浮动机构起限位作用的限位件。

9.根据权利要求8所述的一种抗振卧式面铣削系统，其特征在于，所述浮动机构包括升降支撑杆和弹簧，所述升降支撑杆与底座之间设置弹簧；

所述支撑块的上方对称安装有垫片。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种抗振卧式面铣削系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

将减振刀具与机床主轴相连，将固定有辅助支撑的夹持工装安装于机床上，且与减振刀具间的距离可调；

旋转辅助锁紧装置的锁紧螺母，使锁紧滑块远离安装板；将工件通过螺栓与夹持工装固定，之后反向旋转锁紧螺母，使锁紧滑块压紧工件；

启动机床，机床主轴带动减振刀具旋转，减振刀具的刀盘对工件的待加工平面进行铣削加工。