CN110202199A - 一种用于加工含硬质异物的pbx复合材料的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的装置及方法，属于复合材料机械加工技术领域。解决现有技术中含硬质异物的PBX切削过程中的环状沟痕问题。包括刀柄、连接箱、主轴夹套、电主轴和球头铣刀，刀柄的顶端固定连接在数控立式车床的Z轴滑枕上，刀柄的底端与连接箱固定连接，主轴夹套设置在连接箱内，连接箱的底部设有过孔，电主轴贯穿过孔设置在主轴夹套上，球头铣刀设置在连接箱外且与电主轴固定连接。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料机械加工技术领域，更具体的说是涉及一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的装置及方法。
背景技术
高聚物粘结炸药(PBX)是一种由硬脆性的高能炸药颗粒和粘弹性的黏结剂混合填充的一种复合材料，其具有优异的安全性能和能量表现因此在武器行业得到广泛应用。
车削加工是PBX复合材料的加工方式之一，其具有加工效率高、表面质量好等优点。然而目前在工件原材料中经常会混入一些硬度远高于基体材料的硬质颗粒如铁等，由于该硬质异物的粒度及形态与炸药颗粒相差不多，一般难以完全去除。
PBX材料具有明显的软脆性，车削加工时在刀具的作用下基体材料发生弹性变形，当变形量超过材料的断裂强度时进而产生脆性断裂。而硬质异物随着基体材料在切削力的作用下发生剪切断裂或颗粒脱落，硬质颗粒一方面向前滑移形成切屑正常脱落，另一方面由于基体材料中的粘结剂因此硬质可以极易粘连在刀具刀尖或后刀面，随着切削过程在已加工表面中滑移而留下沟痕。而车削加工作为一种典型的连续切削，切削过程中刀尖和工件始终处于切入式的接触状态，因此硬质颗粒更容易黏附在刀刃部位且不易脱落，严重时在工件表面形成一定宽度的环状明显可见沟痕，影响产品表面，严重时造成工件报废，产生巨大的经济损失。
因此如何解决含硬质异物的PBX切削过程中的环状沟痕问题，寻找一种能有效减少刀尖硬质异物黏附的但不影响加工效率的加工方法，目前已经成为PBX切削加工领域的重要课题，也具有重大的经济价值和现实意义。
发明内容
为了解决背景技术中所述的含硬质异物的PBX切削过程中的环状沟痕问题，本发明提供一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的装置，包括刀柄、连接箱、主轴夹套、电主轴和球头铣刀，刀柄的顶端固定连接在数控立式车床的Z轴滑枕上，刀柄的底端与连接箱固定连接，主轴夹套设置在连接箱内，连接箱的底部设有过孔，电主轴贯穿过孔设置在主轴夹套上，球头铣刀设置在连接箱外且与电主轴固定连接。
进一步的，所述刀柄包括上连接端和与上连接端连接的下连接端，上连接端为横截面呈梯形的圆锥体，刀柄的连接端通过键定位在Z轴滑枕的主轴锥孔内，在上连接端底部四周的下连接端上开设有若干用于与连接箱连接的第一螺栓孔。
进一步的，所述连接箱包括连接头和与连接头连接的连接盒，所述连接头在与第一螺栓孔相对的位置上开设有第二螺栓孔，连接头通过第一螺栓孔、第二螺栓孔螺接于上连接端底部，连接盒倾斜连接在连接头上，连接盒内设有用于固定主轴夹套的安装腔。
进一步的，所述连接头呈圆柱状，所述连接盒与圆柱状的连接头的轴心之间的夹角为30度-45度。
进一步的，所述主轴夹套包括底板以及与底板一体成型的夹套主体，所述夹套主体上设有贯穿的用于放置电主轴的安装孔，夹套主体的侧壁上设有贯穿的用于固定电主轴的第四螺栓孔，底板上开设有用于将主轴夹套固定在连接盒内的第三螺栓孔。
进一步的，所述夹套主体的安装孔的两端分别开设有环形槽，所述环形槽内设有O型密封圈。
进一步的，所述夹套主体上沿垂直于所述安装孔的方向开设有若干锁紧槽。
本发明还提供了一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的方法，包括上述装置，具体步骤如下：
步骤1：装夹：将刀柄固定在Z轴滑枕上，将预先组装好的连接箱、主轴夹套、电主轴和球头铣刀通过连接箱螺接在刀柄上；
步骤2：切削：启动电主轴，使得球头铣刀在电主轴的作用下进行旋转，然后启动数控立式车床，球头铣刀一方面随数控车床的Z轴滑枕在XZ平面内做切削被加工产品轨迹的曲线运动，另一方面在电主轴的驱动下做高速自转对数控立式车床的工作台上旋转的被加工产品进行切削加工。
优选的，在所述步骤1中，球头铣刀的刀具直径为Φ8-Φ16mm,球头铣刀的刀具刃数为10刃-12刃，球头铣刀的刀具螺旋角为30°。
优选的，在所述步骤2中，数控立式车床的工作台上旋转的被加工产品的转速为80-200rpm，被加工产品的切削深度为0.3-0.5mm，电主轴的转速为19000-20000rpm，球头铣刀随数控车床的Z轴滑枕在XZ平面内做切削被加工产品轨迹的曲线运动的进给量为0.15-0.2mm/r。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
1、本发明通过在数控立式车床上增加了刀柄、连接箱、主轴夹套和电主轴，用来对球头铣刀进行固定，切削加工时，被加工产品随数控立式车床工作台做连续旋转运动，球头铣刀一方面随数控立式车床的Z轴滑枕在XZ平面内做切削被加工产品轨迹的曲线运动，另一方面在电主轴的驱动下做高速自转。在该加工过程中由于球头铣刀的高速旋转，球头铣刀的刀刃和被加工产品呈现一个周期性的切入-切出-切入状态，这样黏附在球头铣刀的刀刃上的硬质颗粒一方面在球头铣刀的刀刃和被加工产品分离时被切削液冲刷掉，另外一方面高速旋转产生的离心力也能将硬质颗粒甩出。因此可有效减少因硬质异物在被加工产品的已加工面刻划而造成的表面环状沟痕问题，有效提升产品表面质量，在整个切削过程中被加工产品始终保持一定速度的连续旋转，因此可达到较高的切削速度，保证达到正常车削的切削效率。
2、本发明公开的用于加工含硬质异物的PBX复合材料的装置可在传统的数控立式车床上进行快速拓展安装，具有较高的经济价值，能为企业带来较高的收益。
3、为了满足包含平面、柱段、曲面多要素的复杂回转体结构加工，因此设置本发明的连接盒与连接头成一定夹角，进而球头铣刀的中心与Z轴滑枕成一定角度。
4、本发明公开的加工方法能保证与车削加工相同的加工效率，不影响被加工产品加工效率的基础上有效提升产品质量。
附图说明
图1是本发明的一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的装置的结构示意图；
图2是本发明的一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的装置的刀柄的结构示意图；
图3是本发明的一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的装置的主轴夹套的结构示意图；
图4是本发明的一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的装置的连接箱的结构示意图。
图中标记：1-刀柄，2-连接箱，3-主轴夹套，4-电主轴，5-球头铣刀，6-上连接端，7-下连接端，8-锁紧槽，9-安装孔，10-环形槽，11-第四螺栓孔，12-夹套主体，13-第三螺栓孔，14-底板，15-第二螺栓孔，16-连接头，17-连接盒，18-安装腔。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1:
如图1所示，一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的装置，包括包括刀柄1、连接箱2、主轴夹套3、电主轴4和球头铣刀5，刀柄1为过渡连接结构，刀柄1的顶端固定连接在数控立式车床的Z轴滑枕上，刀柄1的底端与连接箱2固定连接，主轴夹套3设置在连接箱2内，连接箱2的底部设有过孔，电主轴4贯穿过孔设置在主轴夹套3上，球头铣刀5设置在连接箱2外且与电主轴4固定连接，在本实施例中，电主轴4通过弹簧夹套装夹球头铣刀5。本实施例中，电主轴4选用瑞士IBAG公司的HF 80.14S 15CPS型电主轴4，其在转速20000rpm时，电主轴4功率2.4KW，扭矩1.1NM,满足实际加工需求，当然也可以采用其他厂家和型号的电主轴4，只要满足使用需求就可以。电主轴4的控制通过一个外置的操作盒成独立控制，操作盒上设置主轴启动/停止、复位、正/反转以及转速调节旋钮实现主轴的启停和转速调节功能。
如图2所示，在本实施例中，刀柄1包括上连接端6和与上连接端6连接的下连接端7，上连接端6为横截面呈梯形的圆锥体，刀柄1的连接端通过键定位在Z轴滑枕的主轴锥孔内，通过数控立式车床的拉刀系统与数控立式车床的Z轴滑枕紧固连接，在上连接端6底部四周的下连接端7上开设有若干用于与连接箱2连接的第一螺栓孔。上连接端6和下连接端7可以为一体成型也可以是组装成型。
如图4所示，在本实施例中，连接箱2包括连接头16和与连接头16连接的连接盒17，所述连接头16在与第一螺栓孔相对的位置上开设有第二螺栓孔15，通过在第一螺栓孔、第二螺栓孔15内设置螺钉将连接头16螺接于上连接端6底部，连接盒17倾斜连接在连接头16上，连接盒17内设有用于固定主轴夹套3的安装腔18。球头铣刀5加工中，刀刃底部中心点切削速度为零，主要为挤压研磨作用，这在含能材料加工中是必须避免的。同时为了满足包含平面、柱段、曲面多要素的复杂回转体结构加工，因此设置上述连接盒17与连接头16形成一定夹角，进而使得球头铣刀5的中心与数控立式车床的Z轴滑枕成一定角度。连接头16和连接盒17可以为一体成型也可以是组装成型。
更为优选的技术方案是：所述连接头16呈圆柱状，所述连接盒17与圆柱状的连接头16的轴心之间的夹角为30度-45度。
如图3所示，在本实施例中，所述主轴夹套3包括底板14以及与底板14一体成型的夹套主体12，所述夹套主体12上设有贯穿的用于放置电主轴4的安装孔9，夹套主体12的侧壁上设有贯穿的用于固定电主轴4的第四螺栓孔11，通过在第四螺栓孔11内设置螺钉将电主轴4抱死在夹套主体12的安装孔9内，底板14上开设有用于将主轴夹套3固定在连接盒17内的第三螺栓孔13，通过在第三螺栓孔13内设置螺钉将底板14固定在连接盒17内，由此电主轴4、主轴夹套3和连接箱2构成一个刚性体。连接头16和连接盒17可以为一体成型也可以是组装成型。在本实施例中，连接头16和连接盒17为一体成型。主轴夹套3如图3所示，材料选用QT500-7，有较高的刚性和韧性。
在将电主轴4装配到连接箱2的连接盒17内时，从夹套主体12的后部安装孔9放入，保证电主轴4的轴心与夹套主体12内的安装孔9位平行，平行度要求控制在0.01mm以内，之后锁紧螺钉以控制主轴夹套3的弹性变形，从而将主轴夹紧抱死。
将装好电主轴4的主轴夹套3组件装入连接箱2的连接盒17内，调整主轴夹套3组件的轴心与连接盒17安装面的平行度，要求控制在0.01mm以内，之后将连接的螺钉锁死。所述连接箱2选用的材料为HT250，并设计为薄壁多筋结构，刚性强且稳定性好。在连接盒17的两边壁上开减重孔，以减轻重量并为安装电主轴4预留操作空间。
为了防止加工时冷却液或切屑等从安装孔9的两端进入夹套内部，污染主轴，所述夹套主体12的安装孔9的两端分别开设有环形槽10，所述环形槽10内设有O型密封圈。
优选的，所述夹套主体12上沿垂直于所述安装孔9的方向开设有若干锁紧槽8。锁紧槽8的作用是在锁紧夹套主体12上用于紧固电主轴4的螺钉时，防止局部受力过大，导致其他部位受力不均匀，不能将电主轴4全方位、均匀抱死。
本发明通过在数控立式车床上增加了刀柄1、连接箱2、主轴夹套3和电主轴4，用来对球头铣刀5进行固定，切削加工时，被加工产品随数控立式车床工作台做连续旋转运动，球头铣刀5一方面随数控立式车床的Z轴滑枕在XZ平面内做切削被加工产品轨迹的曲线运动，另一方面在电主轴4的驱动下做高速自转。在该加工过程中由于球头铣刀5的高速旋转，球头铣刀5的刀刃和被加工产品呈现一个周期性的切入-切出-切入状态，这样黏附在球头铣刀5的刀刃上的硬质颗粒一方面在球头铣刀5的刀刃和被加工产品分离时被切削液冲刷掉，另外一方面高速旋转产生的离心力也能将硬质颗粒甩出。因此可有效减少因硬质异物在被加工产品的已加工面刻划而造成的表面环状沟痕问题，有效提升产品表面质量，在整个切削过程中被加工产品始终保持一定速度的连续旋转，因此可达到较高的切削速度，保证达到正常车削的切削效率。
本发明还提供了一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的方法，包括上述装置，具体步骤如下：
步骤1：装夹：将刀柄1固定在Z轴滑枕上，将预先组装好的连接箱2、主轴夹套3、电主轴4和球头铣刀5通过连接箱2螺接在刀柄1上；
步骤2：切削：启动电主轴4，使得球头铣刀5在电主轴4的作用下进行旋转，然后启动数控立式车床，球头铣刀5一方面随数控车床的Z轴滑枕在XZ平面内做切削被加工产品轨迹的曲线运动，另一方面在电主轴4的驱动下做高速自转对数控立式车床的工作台上旋转的被加工产品进行切削加工。
优选的，在所述步骤1中，球头铣刀5的刀具直径为Φ8mm,球头铣刀5的刀具刃数为10刃，球头铣刀5的刀具螺旋角为30°。
优选的，在所述步骤2中，数控立式车床的工作台上旋转的被加工产品的转速为80rpm，被加工产品的切削深度为0.3mm，电主轴4的转速为19000rpm，球头铣刀5随数控车床的Z轴滑枕在XZ平面内做切削被加工产品轨迹的曲线运动的进给量为0.15mm/r。
实施例2:
本实施例与实施例1所采用的装置相同，在这里就不在赘述，本实施例主要阐述加工方法的不同：
一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的方法，包括上述装置，具体步骤如下：
步骤1：装夹：将刀柄1固定在Z轴滑枕上，将预先组装好的连接箱2、主轴夹套3、电主轴4和球头铣刀5通过连接箱2螺接在刀柄1上；球头铣刀5的刀具直径为Φ12mm；球头铣刀5的刀具刃数为12刃，球头铣刀5的刀具螺旋角为30°。
步骤2：切削：启动电主轴4，使得球头铣刀5在电主轴4的作用下进行旋转，然后启动数控立式车床，球头铣刀5一方面随数控车床的Z轴滑枕在XZ平面内做切削被加工产品轨迹的曲线运动，另一方面在电主轴4的驱动下做高速自转对数控立式车床的工作台上旋转的被加工产品进行切削加工；数控立式车床的工作台上旋转的被加工产品的转速为200rpm，被加工产品的切削深度为0.5mm，电主轴4的转速为20000rpm，球头铣刀5随数控车床的Z轴滑枕在XZ平面内做切削被加工产品轨迹的曲线运动的进给量为0.2mm/r。
实施例3:
本实施例与实施例1所采用的装置相同，在这里就不在赘述，本实施例主要阐述加工方法的不同：
一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的方法，包括上述装置，具体步骤如下：
步骤1：装夹：将刀柄1固定在Z轴滑枕上，将预先组装好的连接箱2、主轴夹套3、电主轴4和球头铣刀5通过连接箱2螺接在刀柄1上；球头铣刀5的刀具直径为Φ16mm；球头铣刀5的刀具刃数为11刃，球头铣刀5的刀具螺旋角为30°。
步骤2：切削：启动电主轴4，使得球头铣刀5在电主轴4的作用下进行旋转，然后启动数控立式车床，球头铣刀5一方面随数控车床的Z轴滑枕在XZ平面内做切削被加工产品轨迹的曲线运动，另一方面在电主轴4的驱动下做高速自转对数控立式车床的工作台上旋转的被加工产品进行切削加工；数控立式车床的工作台上旋转的被加工产品的转速为150rpm，被加工产品的切削深度为0.4mm，电主轴4的转速为20000rpm，球头铣刀5随数控车床的Z轴滑枕在XZ平面内做切削被加工产品轨迹的曲线运动的进给量为0.3mm/r。
本发明的加工方法，即在传统车削加工基础上将刀具改为高速旋转的球头铣刀5，切削加工时被加工产品和球头铣刀5同时进行连续旋转。其中球头铣刀5运动分为两部分，随数控立式车床的Z轴滑枕沿被加工产品轨迹曲线运动为主运动，球头铣刀5绕自身轴线的高速旋转运动为辅助运动。本发明的加工方法与普通的车削、铣削加工有所区别，因此本发明摸索出了一套与之匹配的上述工艺参数，较好的保证表面光洁度、保证较高的加工效率同时保证产品表面粗糙度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的装置，其特征在于，包括刀柄(1)、连接箱(2)、主轴夹套(3)、电主轴(4)和球头铣刀(5)，刀柄(1)的顶端固定连接在数控立式车床的Z轴滑枕上，刀柄(1)的底端与连接箱(2)固定连接，主轴夹套(3)设置在连接箱(2)内，连接箱(2)的底部设有过孔，电主轴(4)贯穿过孔设置在主轴夹套(3)上，球头铣刀(5)设置在连接箱(2)外且与电主轴(4)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的装置，其特征在于，所述刀柄(1)包括上连接端(6)和与上连接端(6)连接的下连接端(7)，上连接端(6)为横截面呈梯形的圆锥体，刀柄(1)的连接端通过键定位在Z轴滑枕的主轴锥孔内，在上连接端(6)底部四周的下连接端(7)上开设有若干用于与连接箱(2)连接的第一螺栓孔。
3.根据权利要求1所述的一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的装置，其特征在于，所述连接箱(2)包括连接头(16)和与连接头(16)连接的连接盒(17)，所述连接头(16)在与第一螺栓孔相对的位置上开设有第二螺栓孔(15)，连接头(16)通过第一螺栓孔、第二螺栓孔(15)螺接于上连接端(6)底部，连接盒(17)倾斜连接在连接头(16)上，连接盒(17)内设有用于固定主轴夹套(3)的安装腔(18)。
4.根据权利要求3所述的一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的装置，其特征在于，所述连接头(16)呈圆柱状，所述连接盒(17)与圆柱状的连接头(16)的轴心之间的夹角为30度-45度。
5.根据权利要求1所述的一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的装置，其特征在于，所述主轴夹套(3)包括底板(14)以及与底板(14)一体成型的夹套主体(12)，所述夹套主体(12)上设有贯穿的用于放置电主轴(4)的安装孔(9)，夹套主体(12)的侧壁上设有贯穿的用于固定电主轴(4)的第四螺栓孔(11)，底板(14)上开设有用于将主轴夹套(3)固定在连接盒(17)内的第三螺栓孔(13)。
6.根据权利要求5所述的一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的装置，其特征在于，所述夹套主体(12)的安装孔(9)的两端分别开设有环形槽(10)，所述环形槽(10)内设有O型密封圈。
7.根据权利要求5所述的一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的装置，其特征在于，所述夹套主体(12)上沿垂直于所述安装孔(9)的方向开设有若干锁紧槽(8)。
8.一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的方法，其特征在于，包括权利要求1-7任一所述的加工装置，包括以下步骤：
步骤1：装夹：将刀柄(1)固定在Z轴滑枕上，将预先组装好的连接箱(2)、主轴夹套(3)、电主轴(4)和球头铣刀(5)通过连接箱(2)螺接在刀柄(1)上；
步骤2：切削：启动电主轴(4)，使得球头铣刀(5)在电主轴(4)的作用下进行旋转，然后启动数控立式车床，球头铣刀(5)一方面随数控车床的Z轴滑枕在XZ平面内做切削被加工产品轨迹的曲线运动，另一方面在电主轴(4)的驱动下做高速自转对数控立式车床的工作台上旋转的被加工产品进行切削加工。
9.根据权利要求8所述的一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的方法，其特征在于，在所述步骤1中，球头铣刀(5)的刀具直径为Φ8-Φ16mm,球头铣刀(5)的刀具刃数为10刃-12刃，球头铣刀(5)的刀具螺旋角为30°。
10.根据权利要求8所述的一种用于加工含硬质异物的PBX复合材料的方法，其特征在于，在所述步骤2中，数控立式车床的工作台上旋转的被加工产品的转速为80-200rpm，被加工产品的切削深度为0.3-0.5mm，电主轴(4)的转速为19000-20000rpm，球头铣刀(5)随数控车床的Z轴滑枕在XZ平面内做切削被加工产品轨迹的曲线运动的进给量为0.15-0.2mm/r。
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