CN111069965A - 切屑引导装置 - Google Patents

Abstract

一种切屑引导装置，以引导从切削点连续产生的丝状切屑。该切屑引导装置包括：喷嘴(42)，喷射冷却剂；喷嘴保持装置，保持喷嘴(42)以使喷嘴的位置和朝向可变；以及控制器，控制喷嘴保持装置以使冷却剂在刀具进给方向上在切削点的下游位置处冲击丝状切屑。

Description

切屑引导装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月19日提交的第2018-197670号日本专利申请的优先权，其说明书、权利要求书、附图和摘要通过引用整体并入本文

技术领域

本说明书公开了一种切屑引导装置，其引导在车床车削(lathe-turning)期间从切削点连续产生的丝状(stringy)切屑。

背景技术

在切削加工中，加工过程会产生切屑。通常将冷却剂喷射到切割点，以移除切屑，改善刀具的使用寿命，以及提高加工表面的质量。然而，随着加工的进行，切割点可能会逐渐移位。已经提出了移动冷却剂喷嘴的技术，以在跟随位移的切削点的同时喷射冷却剂。例如，日本专利文献JP 2016-124046A公开了使附接到多关节型机械手的远端的冷却剂喷嘴移动的技术，以使冷却剂根据需要喷射到确定的切削点。

在车床车削中，刀具压在被可旋转地保持的工件上以对工件进行加工，易于产生长的、连续的、丝状的切屑。在如JP2016-124046A中那样将冷却剂喷射到切削点的技术中，尽管短的、不连续的切屑容易被吹走，但是很难吹走在车床车削中产生的丝状切屑。因此，在相关技术中，丝状切屑可能会留在旋转的工件或者卡盘(chuck)上一起旋转，以及将会缠绕在工件或者卡盘上。缠绕在工件或者卡盘上的丝状切屑可以会引起例如降低加工精度、使加工表面产生疤痕、劣化刀具或者停止加工操作等问题。

已经提出了防止丝状切屑缠绕的技术。例如，已经提出将丝状切屑切削成小块以防止丝状切屑的缠绕。作为切削切屑的技术，可以使用断屑器或者高压冷却剂，或者执行间歇切削。但是，断屑器仅能在有限的环境下使用。高压冷却剂则需要大型泵和其他装置，从而增加了引入成本。另外，当使用高压冷却剂时，由于易于产生油雾，因此容易导致工厂内环境的恶化。虽然间歇切削可以容易地引入，但是可能发生例如缩短刀具寿命或者增加交付周期等问题。简而言之，切屑切削技术存在各种问题。

本说明书公开了一种切屑引导装置，其通过将丝状切屑引导到适当的方向以防止丝状切屑的缠绕。

发明内容

根据本申请的切屑引导装置以引导在车床车削期间从切削点连续产生的丝状切屑。切屑引导装置包括：喷嘴，喷射冷却剂；喷嘴保持装置，保持喷嘴以使喷嘴的位置和朝向可变；以及控制器，控制喷嘴保持装置以使冷却剂在刀具进给方向上在切削点的下游位置处冲击丝状切屑。

因为在与切削点分离的位置通过冷却剂冲击丝状切屑使得切削点周围的力矩(moment)可以得到提高，所以能够有效地引导丝状切屑的流动方向。因为丝状切屑通常在刀具进给方向上从切削点向下游流动，所以可以通过在刀具进给方向的下游位置处引导冷却剂，使冷却剂可以可靠地冲击丝状切屑。这样，不但将丝状切屑引导到适当的方向，并且还可以有效地防止丝状切屑的缠绕。

控制器可以控制喷嘴保持装置，以使喷嘴在刀具进给方向上在切削点的下游位置处在刀具进给方向上前后移动。

通过在刀具进给方向上前后移动喷嘴，即使在丝状切屑的流动方向变化的情况下，冷却剂也可以更可靠地冲击丝状切屑。

通过将切屑引导装置安装到卧式车床，工件在卧式车床中被保持为可绕水平轴线旋转，控制器可以控制喷嘴保持装置，以使冷却剂的喷射方向从水平轴线向下倾斜。

在上述构造中，丝状切屑在重力方向上被向下引导。当超过一定量的丝状切屑向下流动时，这些丝状切屑的自身重量将导致随后的丝状切屑自动向下流动。这样，可以可靠地防止丝状切屑缠绕在工件上。

通过将切屑引导装置安装到卧式车床，工件在卧式车床中被保持为可绕水平轴线旋转，控制器可以控制喷嘴保持装置，以使喷嘴高于切削点，使冷却剂在工件的大体切线方向上喷射。

当没有对达到高于切削点的丝状切屑采取措施时，丝状切屑可能缠绕在工件上。通过从比切削点高的位置喷射冷却剂，冷却剂将冲击达到高于切削点位置的丝状切屑，从而防止丝状切屑的缠绕。通过在工件的大体切线方向上喷射冷却剂，因为冷却剂可以更加容易地进入工件和缠绕在工件上的丝状切屑之间，所以可以更容易地将丝状切屑从工件上剥离。这样，可以更可靠地防止丝状切屑缠绕在工件上。

切屑引导装置可以安装到立式车床，工件在立式车床中通过主轴被可旋转地保持，主轴指向竖直向上的方向。控制器可以控制喷嘴保持装置，以使冷却剂的喷射方向从水平轴线向上倾斜。

在上述构造中，丝状切屑不太可能与设置在工件下面的卡盘接触。因此，可以有效地防止丝状切屑的缠绕。

喷嘴保持装置可以是多关节型机械手，多关节型机械手具有至少四个自由度。

在上述构造中，因为喷嘴的位置和朝向可以自由地改变，所以丝状切屑可以被引导到期望的方向。

喷嘴可以在喷嘴的远端处混合冷却剂和空气。

在上述构造中，因为可以提高冷却剂的动压，所以可以更可靠地引导丝状切屑。

根据本申请的切屑引导装置，通过将丝状切屑引导到适当的方向，可以防止丝状切屑的缠绕。

附图说明

本申请的实施例将基于以下附图进行描述，其中

图1是结合了切屑引导装置的机床的示意性侧视图；

图2是图1中的机床的主视图；

图3示出了在车床车削期间从Z轴方向观察的切屑的示意性视图；

图4示出了在车床车削期间从Y轴方向观察的切屑的示意性视图；

图5示出了图3所示的车床车削在车床车削期间经过一些进展之后的切屑的示意性视图。

图6示出了图4所述的车床车削在车床车削期间经过一些进展之后的切屑的示意性视图；

图7示出了从Z轴方向观察的切屑如何被引导的示意性视图；

图8示出了从Y轴方向观察的切屑如何被引导的示意性视图；

图9示出了另一实施例中切屑如何被引导的示意性视图；

图10示出了在立式车床中切屑如何被引导的示意性视图。

附图标记说明

10机床,12加工室,14门,16外壳,18主轴,19尾架,20刀架,22转塔,24卡盘,30工件,32刀具,40机械手,42喷嘴,44冷却剂源,45压缩机,46控制器,50丝状切屑。

具体实施方式

下面将参考附图来描述切屑引导装置和结合了切屑引导装置的机床10。图1是结合了切屑引导装置的机床10的示意性侧视图。图2是图1所示的机床10的主视图。在下文中，与主轴18的旋转轴线相平行的方向被称为“Z轴”，与刀架20的移动方向相平行的方向(其与Z轴垂直)被称为“X轴”，以及，与X轴和Z轴均垂直的方向被称为“Y轴”。在Z轴上，从主轴18朝向刀架20的方向被描述为正方向；在X轴上，从主轴18朝向刀架20的方向被描述为正方向；以及，在Y轴上，从主轴18向上的方向被描述为正方向。

机床10是车床，其包括主轴18，主轴18可旋转地保持工件。具体地，根据本实施例的机床10是车削加工中心(turning center)，其包括保持多个不同类型的刀具32的转塔(turret)22。此处描述的机床10仅仅是示例。根据本申请的技术可以应用到任何实施例的任何机床中，只要可以执行车床车削即可。例如，根据本申请的切屑引导装置可以应用到多任务机器中，在多任务机器中组合了车床和铣床。在下文中，机床10被描述被车削加工中心。

机床10容纳在机床10的加工室12的外壳16中。在加工室12的前部设置有大的开口，并且通过门14打开或者关闭开口。操作员可以通过开口接近加工室12内部的部件。在加工期间，为开口设置的门14关闭以保证安全性和维护环境。

机床10包括：主轴18，主轴18可旋转地保持工件30的一端；刀架20，保持刀具32；以及尾架19(tailstock)，保持工件30的另一端。使用电机(图中未示出)使主轴18可旋转。卡盘(chunk)24或夹套(collet)设置在主轴18的端面上，卡盘24或夹套可拆卸地保持工件30。主轴18和卡盘24围绕沿着水平方向(沿Z轴的方向)延伸的旋转轴线旋转。

尾架19沿着Z轴与主轴18相对地设置，使得主轴18保持工件30的一端，尾架19保持另一端。尾架19可以沿Z轴移动以靠近工件30或者远离工件30。

刀架20是保持刀具32的刀具保持装置。刀架20可沿着Z轴移动，Z轴与工件30的纵向轴线相平行。刀架20还可以沿着工件30的径向移动以靠近工件30或者远离工件30。从图1中可以明显看出，X轴相对于水平方向倾斜，使得当从加工室12的开口观察时，X轴朝着后部向上倾斜。

能够保持多个刀具32的转塔22设置在刀架20的一个Z轴端面上。当沿着Z轴方向观察时，转塔22呈多边形并且构造成可围绕与Z轴平行的轴线旋转。转塔22在其圆周表面上包括多个刀具保持器，刀具32可以附接到刀具保持器。通过旋转转塔22，可以改变用于加工的刀具32。

作为切屑引导装置的一部分的机械手40设置在加工室12的内部。机械手40作为喷嘴保持装置，其保持将在下文中进一步描述的喷嘴42，以使喷嘴42的位置和朝向可以改变。在本实施例中，机械手40是设置在加工室12内部的多自由度机械手；换言之，多关节型机械手包括通过至少一个关节而彼此连接的多个节。尽管对机械手40的构造没有限制，为了自由地改变下文中将进一步描述的喷嘴42的位置和朝向，机械手40可以具有至少四个自由度。

尽管本实施例中的机械手40设置在加工室12的顶板上，但是机械手40可以设置在不同的位置，只要从喷嘴42喷出的冷却剂可以冲击丝状切屑50即可。因而，机械手40可以设置在加工室12的侧壁上、主轴18上、刀架20上或者其他的位置上。

喷嘴42作为末端执行器(end effector)附接到机械手40。喷嘴42喷射冷却剂，从而作为切屑引导装置的一部分。在本实施例中，下文中将进一步描述通过来自喷嘴42的冷却剂的压力将丝状切屑50引导到期望的方向。喷嘴42通过冷却剂管与冷却剂源44流体连通地连接，以将冷却剂供应给喷嘴42。冷却剂管可以在机械手40内部或者外部延伸。

在本实施例中，冷却剂在被喷射之前，在喷嘴42的远端附近与压缩空气混合。喷嘴42通过空气管与压缩机45流体连通地连接。空气管可以在机械手40内部或者外部延伸。无论哪种情况，通过冷却剂和空气的混合，可以增加冷却剂的动态压力，从而增强对丝状切屑50的引导性能。

喷嘴42和机械手40不需要一直保持连接，而是可以根据需要断开连接。例如，附接到机械手40的末端执行器可以是可替换的。具体地，当机械手40用于运载工件30时，可以将具有手部机构的末端执行器附接到机械手40，而当机械手40用作切屑引导装置时，可以将喷嘴末端执行器附接到机械手40。

尽管本实施例中将喷嘴用作机械手40的末端执行器，但是喷嘴可以与机械手40分开设置。例如，喷嘴可以通过柔性管设置在除机械手40之外的元件上，例如，在加工室12的壁上或者在刀架20上。这种情况下，机械手40通过移动利用末端执行器(例如，手部机构)保持喷嘴的臂来改变喷嘴42的位置。

控制器46根据操作员的指令来控制机床10的各个部分。例如，控制器46可以包括CPU和存储器，CPU用于执行各种操作，存储器用于存储各种控制程序或控制参数。控制器46还具有通信功能，以向其他装置发送或从其他装置接收各种数据，例如数控(简称NC，numerical control)程序数据。控制器46例如可以包括NC控制器，其根据需要计算刀具32或工件的位置。控制器46可以是由单个单元构造而成或者是由两个或多个计算单元的组合构造而成。

例如，当刀具32加工工件30时，控制器46控制主轴18、刀架20和尾架19的移动。因为根据本实施例的控制器46还用作切屑引导装置的控制器，所以控制器46还可以根据需要控制机械手40、喷嘴42、和各种阀以及各种泵。

下面参考图3至图6来描述通过切屑引导装置引导的切屑50。图3和图4示出了在车床车削期间的切屑的示意性视图。图3是从Z轴方向观察的，而图4是从Y轴方向观察的。图5和图6示出了车床车削在车床车削期间经过一些进展之后的切屑的示意性视图。图5是从Z轴方向观察的，而图6是从Y轴方向观察的。

在车床车削中，通过将刀具32按压在旋转的工件30上来进行切削加工。如图3中所示出的，工件30相对于切削点Pc在向上的方向上旋转。刀具32沿Z轴移动。在这种车床车削中，从切削点Pc处连续地产生切屑50。在车床车削中，切屑50不容易被打断，而是易于产生连续的、丝状的形状。在下文中，连续的、丝状的切屑被称为“丝状切屑”。

如图3和图4中所示出的，在较早的阶段时，这些丝状切屑50流动到切削点Pc的下面并朝着工件进给方向的下游流动。然而，在车床车削过程中，当丝状切屑50的一部分进入与工件30的外表面接触时，随着工件30的旋转，丝状切屑50可能被向上携带到工件30的上表面上，如图5和图6所示。如果不采取任何措施而使这种状态保持不变，则工件30和丝状切屑50彼此之间可能间歇地接触，从而导致丝状切屑50随工件30一起旋转并围绕工件30旋转。当丝状切屑50旋转整圈时，旋转的丝状切屑50可能与切割点Pc处产生的新的丝状切屑缠绕并且变得不可分离。这种情况下，由于丝状切屑50随着工件30的旋转可能继续缠绕在一起，以及丝状切屑50继续与工件30的表面接触，因此加工表面容易受损。

为了防止丝状切屑的这种缠绕，已经提出了切断丝状切屑的技术。具体地，已经提出了利用附接到刀具32的刀刃的尖端的断屑器以根据需要来切断切屑。然而，根据加工情况，很多情况下不能使用断屑器。例如，对于铬钼钢材料(JIS标准中的SCM合金)之类的合金，由于其高韧性而难以用断屑器来切断切屑。

还提出了通过部分地施加高压冷却剂来切断切屑。然而，高压冷却剂需要大型泵和耐压管等等，导致成本的提升以及需要较大的安装空间。此外，由于容易产生油雾，高压冷却剂可能造成工厂环境恶化的问题。通过间歇地进行车床车削来切断切屑的技术也已经是已知的。然而，这种间歇切削还可能产生缩短刀具32的使用寿命或者增加交付周期等问题。

在车床车削中，通常将冷却剂施加到切削点Pc。冷却剂有助于切屑一定程度的剥离。特别地，通过使用穿过在刀具32或者刀具保持器中形成的孔(称为油孔，oil hole)来喷射冷却剂的方法，由于冷却剂的喷射点可以总是跟随着切削点Pc，因此可以将冷却剂更加精确地施加到切割点Pc。

然而，尽管将冷却剂的目标位置设置为切削点Pc对于减小刀具32的温度上升或者改善加工表面的精度是有效的，但是它不能显著地防止丝状切屑50的缠绕。这是因为在将冷却剂施加到切削点Pc的方法中，不能控制丝状切屑50从切削点Pc离开后的运动。

本申请中，冷却剂在与切削点Pc分离的位置处冲击丝状切屑50，以防止丝状切屑50的缠绕。这在图7和图8中进行了描述，图7和图8示出了如何引导切屑的示意性视图。图7是从Z轴方向观察，而图8则是从Y轴方向观察。

在本实施例中，为了引导丝状切屑50，控制器46驱动机械手40以控制喷嘴42的位置和朝向。具体地，控制器46获得切削点Pc的位置，并且控制喷嘴42的位置和朝向，以在与切削点Pc分离的且在刀具进给方向上的切削点Pc的下游侧的位置处将冷却剂喷射到丝状切屑50。通过将冷却剂喷射到与切削点Pc分离的位置，因为接收冷却剂的丝状切屑50的区域变宽，所以施加到丝状切屑50的力变大。因为通过将冷却剂喷射到与切削点Pc分离的位置，使得切削点Pc周围的力矩得以提高，所以丝状切屑50可以更可靠地被引导。

在车床车削中产生的丝状切屑50通常在刀具进给方向上向下游流动。换言之，在刀具进给方向上的切削点Pc的下游侧是丝状切屑50的流动的方向。通过将冷却剂喷射到与切割点Pc分离的且在刀具进给方向上位于切割点Pc的下游侧的位置，冷却剂可以更可靠地冲击丝状切屑50。

如图8中所示，在本实施例中，控制器46控制机械手40在刀具进给方向上前后移动喷嘴42。以这种方式在刀具进给方向上移动喷嘴42，即使在丝状切屑50的流动方向上有一些分散，冷却剂也可以更可靠地冲击丝状切屑50。

如图7中所示，在本实施例中，控制器46控制机械手40，以使冷却剂喷射方向从水平轴线向下倾斜。在这种构造中，丝状切屑50易于在重力方向上被向下引导而不会缠绕在工件30上。当超过一定量的丝状切屑50向下流动时，该丝状切屑50的自身重量将导致新产生的丝状切屑50也向下流动。这样，可以可靠地防止丝状切屑50的缠绕。

图7中还示出了在本实施例中，控制器46控制机械手40，以将喷嘴42定位在高于切削点Pc的位置，冷却剂在工件30的大体切线方向上喷射。如上所述，参见图5和图6，在不采取任何措施的情况下，丝状切屑50可能留在工件30上以及向上卷绕。为了防止这种向上卷绕，可以在工件30和向上卷绕的丝状切屑50之间喷射冷却剂，以使丝状切屑50从工件30上剥离。这样，在本实施例中，如图7所示，冷却剂在工件30的大体切线方向上喷射。这样，工件30和向上卷绕的丝状切屑50彼此分离，可以防止丝状切屑50的进一步缠绕。因为冷却剂从高于切削点Pc的位置喷射以冲击向上卷绕而高于切削点Pc的丝状切屑50，所以可以防止丝状切屑50的进一步缠绕。

自然地，切削点Pc的位置随着车床车削的进展而逐渐发生变化。有必要控制喷嘴42的位置和朝向，以随着切削点Pc的变化而继续适当地引导丝状切屑50。为了满足这种需求，保持喷嘴42的喷嘴保持装置可以具有至少四个自由度。因为在本实施例中，喷嘴42由具有至少四个自由度的多关节型机械手40保持，所以可以以高的自由度来改变喷嘴42的位置和朝向。

控制器46可以基于切削点Pc的位置、加工条件或者其他因素来确定喷嘴42的位置和朝向。当加工条件相同或相似时，丝状切屑50的流动方向在某种程度上也可能是相似的。这样，可以针对每种加工条件来设置喷嘴42相对于切削点Pc的位置和朝向，并作为引导信息而预先存储在控制器46中。当执行车床车削时，控制器46可以读出存储的引导信息，以及针对于当前的加工条件来确定喷嘴42的合适的位置和朝向。然后，控制器46可以基于已确定的喷嘴42的合适的位置和朝向以及基于切削点Pc的当前位置来计算喷嘴42的位置和朝向，并且基于所获得的结果来驱动机械手40。在另一实施例中，通过在加工室12中提供例如照相机等视觉传感器，可以基于由视觉传感器获得的图像数据来确定喷嘴42的位置和朝向。

在任一种情况下，因为在本申请中，冷却剂在刀具进给方向上在切削点Pc的下游侧冲击丝状切屑50，所以可以有效地防止丝状切屑50的缠绕。应当注意的是，上述的构造仅仅是示例。可以根据需要对构造进行改变，只要冷却剂能够在刀具进给方向上在切削点Pc的下游侧冲击丝状切屑50即可。

例如，尽管在上述描述中，冷却剂从高于切削点Pc的位置喷射，然而冷却剂还可以从低于切削点Pc的位置喷射，如图9所示。另外，在这种情况下，因为冷却剂被引导到在刀具进给方向上的在切削点Pc的下游侧的位置，所以冷却剂可以容易地冲击丝状切屑50。因为通过冷却剂冲击丝状切屑50来使丝状切屑50从工件30剥离，所以避免了丝状切屑50缠绕在工件30上。

尽管上文中以工件的旋转轴线为水平轴线的卧式车床为例进行说明，但是根据本申请的技术还可以应用于工件的旋转轴线为竖直轴线的立式车床。如图10所示，在立式车床中，卡盘24设置成面向上，工件30设置成高于卡盘24地延伸。在该立式车床中，当丝状切屑50向下悬挂时，丝状切屑50可能与卡盘24进行接触。当丝状切屑50留在卡盘24上且与卡盘24一起旋转时，则丝状切屑50可能缠绕或者自身盘绕在工件30上，从而降低了工件30的加工表面的精度。

在立式机床中，如图10所示，控制器46控制机械手40，以使冷却剂喷射方向为从水平轴线向上倾斜。在该构造中，因为丝状切屑50被向上引导，所以丝状切屑50变得不太可能与卡盘24接触。即使在这种情况下，因为丝状切屑50易于在刀具进给方向上向下游流动，所以控制器46控制喷嘴42的位置和朝向，以使冷却剂在刀具进给方向上在切削点Pc的下游侧冲击丝状切屑50。

尽管在上述描述中使用单个喷嘴42来引导丝状切屑50，但是对喷嘴42的数量不做限制，可以采用一个或多个喷嘴42。可以将两个或多个喷嘴42附接到单个机械手(喷嘴保持装置)40，或者附接到两个或多个机械手(多个喷嘴保持装置)40，每个机械手40可以设置有单个喷嘴42。

根据本申请的技术不反对将冷却剂施加到切削点Pc的应用。这样，在冷却剂引导丝状切屑50之外，机床10还可以将冷却剂喷射到切削点Pc，以提高刀具32的寿命或者加工表面的精度。

用于保持喷嘴42的喷嘴保持装置不限于多关节型机械手40。只要可以自由地改变喷嘴42的位置和朝向即可，还可以使用其他的装置，例如线性运动机械手。尽管在上述实施例中，冷却剂和空气在喷嘴42的出口附近混合以增加冷却剂的动态压力，但是只要可以获得足够的动态压力，也可以仅喷射冷却剂。

Claims (7)

1.一种切屑引导装置，用于引导在车床车削期间从切削点连续产生的丝状切屑，包括：

喷嘴，喷射冷却剂；

喷嘴保持装置，保持所述喷嘴，以使所述喷嘴的位置和朝向可变；以及

控制器，控制所述喷嘴保持装置，以使所述冷却剂在刀具进给方向上在所述切削点的下游位置处冲击所述丝状切屑。

2.根据权利要求1所述的切屑引导装置，其特征在于，

所述控制器控制所述喷嘴保持装置，以使所述喷嘴在所述刀具进给方向上在所述切削点的下游位置处在所述刀具进给方向上前后移动。

3.根据权利要求1或2所述的切屑引导装置，其特征在于，

所述切屑引导装置安装到卧式车床，工件在所述卧式车床中被保持为可绕水平轴线旋转，以及

控制器控制喷嘴保持装置，以使冷却剂的喷射方向从水平轴线向下倾斜。

4.根据权利要求1或2所述的切屑引导装置，其特征在于，

所述切屑引导装置安装到卧式车床，工件在卧式车床中被保持为可绕水平轴线旋转，以及

所述控制器控制所述喷嘴保持装置，以使所述喷嘴高于所述切削点，使所述冷却剂在所述工件的大体切线方向上喷射。

5.根据权利要求1或2所述的切屑引导装置，其特征在于，

所述切屑引导装置安装到立式车床，工件在所述立式车床中通过主轴被可旋转地保持，所述主轴指向竖直向上的方向，以及

所述控制器控制所述喷嘴保持装置，以使所述冷却剂的喷射方向从水平轴线向上倾斜。

6.根据权利要求1或2所述的切屑引导装置，其特征在于，

所述喷嘴保持装置是多关节型机械手，所述多关节型机械手具有至少四个自由度。

7.根据权利要求1或2所述的切屑引导装置，其特征在于，

所述喷嘴在所述喷嘴的远端处混合所述冷却剂和空气。

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