CN111702555B - 一种车削刀尖高度在机精密调整装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种车削刀尖高度在机精密调整装置及方法，属于精密/超精密加工领域，能够实现微米、亚微米甚至纳米级精度调整，主要包括主控制器、刀尖高度精密检测装置和刀尖高度精密调整装置。其中，刀尖高度精密检测装置包括高精度位移检测控制器、高精度位置检测传感器、传感器支座等；刀尖高度精密调整装置，包括微纳米运动控制器、上刀架块锁紧螺钉、刀架底座、燕尾形导轨锁紧螺钉、刀架固定螺栓、差动螺杆、燕尾形导轨、T形锁紧螺母、上刀架块固定螺钉、上刀架块、微纳米移动台、下刀架块等。本发明具有调整精度高，实现了刀尖高度的量化表征，可以根据实际需求设定需要的刀尖高度，调节方便快捷，对操作者技术依赖低，易于实现自动化。
Description
技术领域
本发明属于精密/超精密加工领域，特别涉及一种车削刀尖高度在机精密调整装置及方法。
背景技术
刀尖中心高调整是车削加工中的关键技术，对保证零件尺寸精度、轮廓精度和壁厚误差等具有重要影响，例如平面件端面车削加工时，如果车刀刀尖高度和主轴回转中心线高度不一致，则会在中心部位留下部分材料无法去除，在零件中心形成小凸台，造成零件无法满足加工要求，而在回转曲面加工中，尤其是薄壁回转曲面，当内外表面均需要加工时，零件翻面加工需要进行二次装夹，如果刀尖高度不一致，除中心部位会形成小凸台外，由于刀具理论轨迹轮廓偏离实际回转中心，从而导致回转类零件的轮廓精度和壁厚误差均难以满足要求。
目前，车削加工中针对车刀刀尖高度调整主要有试切法、工具显微镜观测法等方法，其中试切法是通过刀具直接在工件表面或样件表面进行试切削，当切削至工件回转中心处时，观测残留的凸台大小，判断并调整刀尖高度，该方法简单实用，在制造业被广泛采用，但刀尖高度调整精度低，通常在几微米至几十微米，为适应更高精度的对刀要求，通常会采用反复试切，然后将样件拿到高倍放大镜下观测回转中心处的凸台大小，并根据凸台尺寸对刀尖进行反复试切-测量-调整-试切，调整过程十分复杂，对于特殊零件加工，还需将零件拆卸后进行刀尖高度调整，尤其在刀具角度需要进行不断改变以满足加工需求时，需要反复进行刀尖高度调整和校核，给加工过程造成极大不便。工具显微镜观测法是利用光学工具显微对刀尖高度进行在位观测并调整，调整过程相对简单，但调整精度不高，通常在微米级，且无论是试切法还是利用工具显微镜观测法，目前刀尖高度调整一般均通过增加垫块或螺纹升降机构等实现刀尖高度方向移动，调整精度低。
针对航空航天、军事、医疗、精密仪器仪表和精密物理实验等领域的特殊要求，对零件提出了精密/超精密加工需求，要求零件的尺寸精度，面形精度，轮廓精度，壁厚误差等达到微米亚微米甚至纳米级加工要求，当前的刀尖高度调整方法难以满足精密/超精密加工过程的调整需求，为此发明一种新的车削刀尖高度在机精密调整装置及方法以满足精密/超精密加工领域刀尖高度的调整需求。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能对车削刀尖高度进行在机快速检测，并实现微米、亚微米甚至纳米级精度调整的装置及方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种车削刀尖高度在机精密调整装置，包括主控制器、刀尖高度精密检测装置和刀尖高度精密调整装置；
所述的刀尖高度精密检测装置，包括高精度位移检测控制器、高精度位置检测传感器10、传感器支座11；所述的高精度位移检测控制器和高精度位置检测传感器10通过信号线相连，组成刀尖高度精密检测系统，高精度位置检测传感器10安装传感器支座11上，并通过传感器锁紧螺钉9固定，传感器支座11通过传感器支座固定螺钉14和主轴座15固接。
所述的刀尖高度精密调整装置，包括微纳米运动控制器、上刀架块锁紧螺钉5、刀架底座51、燕尾形导轨锁紧螺钉52、刀架固定螺栓53、差动螺杆54、燕尾形导轨55、T形锁紧螺母56、上刀架块固定螺钉57、上刀架块58、微纳米移动台59、下刀架块510。所述的微纳米运动控制器和微纳米移动台59通过导线相连组成微纳米高度调整系统，所述的上刀架块58放置在微纳米移动台59上并通过螺钉57和微纳米移动台59相连，所述的微纳米移动台59放置在下刀架块510上，并通过螺钉和下刀架块510相连，所述的上刀架块58和下刀架块510均通过燕尾槽和燕尾形导轨55配合和刀架底座51相连，用于上刀架块58和下刀架块510相对刀架底座51运动时导向；所述的燕尾形导轨55通过燕尾形导轨锁紧螺钉52和刀架底座51固定。所述刀架底座51通过刀架固定螺栓53和大理石座4相连。
所述的下刀架块510和刀架底座51还通过差动螺杆54相连，用于粗调下刀架块510在刀架底座51上的高度位置，从而实现上刀架块58和微纳米移动台59整体高度粗调。
所述微纳米移动台59用于精调上刀架块58的高度位置，上刀架块锁紧螺栓5和上刀架块58T形槽中的T形锁紧螺母56配合使用，用于锁定上刀架块58相对刀架底座51的高度位置。
进一步地，所述高精度位置检测传感器10包括电感测微仪、激光位移传感器、电容位移传感器等高精度位移检测装置。
进一步地，所述微纳米移动台59为微纳米压电陶瓷驱动台或音圈电机或磁致伸缩等微动机构。
一种车削刀尖高度在机精密调整方法，包括以下步骤：
A、安装刀尖高度精密检测装置
将传感器支座11通过传感器支座固定螺钉14固定在主轴座15上，将高精度位置检测传感器10安装在传感器支座11上，并通过传感器锁紧螺钉9固定，将高精度位置检测传感器10和高精度位移检测控制器通过信号线相连，同时高精度位移检测控制器通过信号线和主控制器相连。
B、安装刀尖高度精密调整装置
将刀尖高度精密调整装置安装在大理石座4上，并通过刀架固定螺栓53固定，将微纳米移动台59通过信号线和微纳米运动控制器相连，微纳米运动控制器通过信号线和主控制器相连。
C、刀尖高度精密检测装置高度调整及主轴回转中心高度检测
先将工件夹具12安装在机床主轴16的主轴法兰13上，再将试样安装在工件夹具12上，将垫块6安装在刀尖高度精密调整装置的上刀架块58上，再将加工刀具7安装在垫块6上，通过试切法对样件端面进行加工，然后采用高倍率显微镜观测样件中心形貌，计算样件中心凸台直径大小，并通过刀尖高度精密调整装置上的差动螺杆54粗调刀具7的刀尖71的高度；
待样件中心凸台直径小于微纳米移动台59的行程(一般为30-50μm)，开始采用微纳米运动控制器控制微纳米移动台59运动对刀尖71高度进行精密调整，待刀尖71高度相对主轴回转中心的高差小于等于δ(超精加工中该值一般为亚微米甚至纳米级)时，通过上刀架块锁紧螺钉5将刀具高度锁定其中，δ为刀尖至机床主轴16实际回转中心线的实际高度差值，根据轮廓精度加工要求选择确定；
控制机床X轴托板17和Z轴托板3分别沿床身1上的X轴导轨18和Z轴导轨2移动，使得刀具7的刀尖71到达刀尖高度精密检测装置的高精度位置检测传感器10处，调整高精度位置检测传感器10的高度，使得刀具7的刀尖71在高精度位置检测传感器10测量量程范围内，最好在高精度位置检测传感器10测量量程范围1/2位置处，通过传感器锁紧螺钉9将高精度位置检测传感器10固定，并记录此时高精度位置检测传感器10的位移值H0。
D、刀具角度及刀尖高度调整
将工件8安装在工件夹具12上调整工件8的位置并固持后开始加工，加工时根据如图3所示工件8内表面加工需求和如图5所示工件8外表面加工需求，当刀具7的刀片更换或角度转动后，由于刀片制造误差、工装误差和装配误差等，刀具7的刀尖71高度会相应的发生变化，如图4和图6所示，分别为针对工件8内外表面加工需求时，刀具7的刀尖高度调整示意图，具体调整方法为：首先松开上刀架块锁紧螺钉5，通过微纳米运动控制器控制微纳米移动台59下移，使得刀尖高度降到最低；然后控制控制机床X轴托板17和Z轴托板3分别沿X轴导轨18和Z轴导轨2移动，使得刀具7的刀尖到达刀尖高度精密检测装置的高精度位置检测传感器10处，再次通过主控制器控制微纳米运动控制器控制微纳米移动台59上移至高精度位置检测传感器10位置值等于H0，则完成刀尖71高度调整，上刀架块锁紧螺钉5将刀具7高度锁定。
与现有技术比较，本发明具有以下优点：
(1)本发明的一种车削刀尖高度在机精密调整装置及方法，通过刀尖高度精密调整装置利用差动螺纹和微纳米移动台相结合，实现刀尖高度的粗精调整，可以实现快速精密调整刀尖高度，相比传统刀尖高度调整方法具有精度高，理论可达到亚微米甚至纳米级水平，调节方便快捷，对操作者技术依赖低；
(2)本发明的一种车削刀尖高度在机精密调整装置及方法，通过采用试切法和刀尖高度精密调整装置相结合，快速精确完成刀尖高度调整，再通过刀尖高度精密检测装置检测并记录调整好的刀尖高度位置H0，针对不同工况加工时，刀具角度改变后只需控制刀尖高度精密调整装置调整刀尖高度位置至H0即可快速实现刀尖高度调整，针对特殊加工需求，还可以实现刀尖高度相对理论回转中心高度定量化调整。
(3)本发明的一种车削刀尖高度在机精密调整装置及方法具有使用精度高，使用方便快捷，有利于提高刀尖高度校核效率，易于实现自动化。
附图说明
图1为本发明实施例的一种车削刀尖高度在机检测及精密调整装置示意图。
图2为本发明实施例的一种车削刀尖高度在机精密调整装置示意图。
图3为本发明实施例的内曲面加工刀尖高度在机精密调整示意图。
图4为本发明实施例的实际内曲面加工过程刀尖高度在机精密调整示意图。
图5为本发明实施例的外曲面加工刀尖高度在机精密调整示意图。
图6为本发明实施例的实际外曲面加工过程刀尖高度在机精密调整示意图。
图7为本发明实施例的一种车削刀尖高度在机精密调整方法。
图中：1床身，2Z轴导轨，3Z轴托板，4大理石座，5上刀架块锁紧螺栓，6垫块，7刀具，8工件，9传感器锁紧螺钉，10高精度位置检测传感器，11传感器支座，12工件夹具，13主轴法兰，14传感器支座固定螺钉，15主轴座，16主轴，17X轴托板，18X轴导轨，51刀架底座，52燕尾形导轨锁紧螺钉，53刀架固定螺栓，54差动螺杆，55燕尾形导轨，56T形锁紧螺母，57上刀架块固定螺钉，58上刀架块，59微纳米移动台，510下刀架块，71刀尖。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
如图1-7所示，一种车削刀尖高度在机精密调整装置，包括主控制器，刀尖高度精密检测装置和刀尖高度精密调整装置；
所述的刀尖高度精密检测装置，包括高精度位移检测控制器、高精度位置检测传感器10、传感器支座11，其中，高精度位移检测控制器和高精度位置检测传感器10通过信号线相连，组成刀尖高度精密检测系统，高精度位置检测传感器10安装传感器支座11上，并通过传感器锁紧螺钉9固定，传感器支座11通过传感器支座固定螺钉14和主轴座15相连。其中，高精度位置检测传感器10为激光位移传感器。
所述的刀尖高度精密调整装置，包括微纳米运动控制器、上刀架块锁紧螺钉5、刀架底座51、燕尾形导轨锁紧螺钉52、刀架固定螺栓53、差动螺杆54、燕尾形导轨55、T形锁紧螺母56、上刀架块固定螺钉57、上刀架块58、微纳米移动台59、下刀架块510。
其中，所述的微纳米运动控制器和微纳米移动台59通过导线相连组成微纳米高度调整系统，所述的上刀架块58放置在微纳米移动台59上并通过螺钉57和微纳米移动台59相连，所述的微纳米移动台59放置在下刀架块510上，并通过螺钉和下刀架块510相连，所述的上刀架块58和下刀架块510均通过燕尾槽和燕尾形导轨55配合和刀架底座51相连，用于上刀架块58和下刀架块510相对刀架底座51运动时导向。
所述的燕尾形导轨55通过燕尾形导轨锁紧螺钉52和刀架底座51固定。
所述的下刀架块510和刀架底座51还通过差动螺杆54相连，用于粗调下刀架块510在刀架底座51上的高度位置，从而实现上刀架块58和微纳米移动台59整体高度粗调。
所述微纳米移动台59用于精调上刀架块58的高度位置，上刀架块锁紧螺栓5和上刀架块58T形槽中的T形锁紧螺母56配合使用用于锁定上刀架块58相对刀架底座51的高度位置。
所述刀架底座51通过刀架固定螺栓53和大理石座4相连。
所述微纳米移动台59为微纳米压电陶瓷驱动台。
如图1-7所示，一种车削刀尖高度在机精密调整方法，包括以下步骤：
A、安装刀尖高度精密检测装置
将传感器支座11通过传感器支座固定螺钉14固定在主轴座15上，将高精度位置检测传感器10安装在传感器支座11上，并通过传感器锁紧螺钉9固定，将高精度位置检测传感器10和高精度位移检测控制器通过信号线相连，同时高精度位移检测控制器通过信号线和主控制器相连。
B、安装刀尖高度精密调整装置
将刀尖高度精密调整装置安装在大理石座4上，并通过刀架固定螺栓53固定，将微纳米移动台59通过信号线和微纳米运动控制器相连，微纳米运动控制器通过信号线和主控制器相连。
C、刀尖高度精密检测装置高度调整及主轴回转中心高度检测
先将工件夹具12安装在机床主轴16的主轴法兰13上，再将试样安装在工件夹具12上，将垫块6安装在刀尖高度精密调整装置的上刀架块58上，再将加工刀具7安装在垫块6上，通过试切法对样件端面进行加工，然后采用高倍率显微镜观测样件中心形貌，计算样件中心凸台直径大小，并通过刀尖高度精密调整装置上的差动螺杆54粗调刀具7的刀尖71的高度，待样件中心凸台直径小于微纳米移动台59的行程(一般为30-50μm)，开始采用微纳米运动控制器控制微纳米移动台59运动对刀尖71高度进行精密调整，待刀尖71高度相对主轴回转中心的高差小于等于δ(超精加工中该值一般为亚微米甚至纳米级)时，通过上刀架块锁紧螺钉5将刀具高度锁定，控制机床X轴托板17和Z轴托板3分别沿床身1上的X轴导轨18和Z轴导轨2移动，使得刀具7的刀尖71到达刀尖高度精密检测装置的高精度位置检测传感器10处，调整高精度位置检测传感器10的高度，使得刀具7的刀尖71在高精度位置检测传感器10测量量程范围内，最好在高精度位置检测传感器10测量量程范围1/2位置处，通过传感器锁紧螺钉9将高精度位置检测传感器10固定，并记录此时高精度位置检测传感器10的位移值H0。
D、刀具角度及刀尖高度调整
将工件8安装在工件夹具12上调整工件8的位置并固持后开始加工，加工时根据如图3所示工件8内表面加工需求和如图5所示工件8外表面加工需求，当刀具7的刀片更换或角度转动后，由于刀片制造误差、工装误差和装配误差等，刀具7的刀尖71高度会相应的发生变化，如图4和图6所示，分别为针对工件8内外表面加工需求时，刀具7的刀尖高度调整示意图，具体调整方法为松开上刀架块锁紧螺钉5，通过微纳米运动控制器控制微纳米移动台59下移，使得刀尖高度降到最低，然后控制控制机床X轴托板17和Z轴托板3分别沿X轴导轨18和Z轴导轨2移动，使得刀具7的刀尖71到达刀尖高度精密检测装置的高精度位置检测传感器10处，再次通过主控制器控制微纳米运动控制器控制微纳米移动台59上移至高精度位置检测传感器10位置值等于H0，则完成刀尖71高度调整，上刀架块锁紧螺钉5将刀具7高度锁定。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种车削刀尖高度在机精密调整方法，其特征在于，该方法基于车削刀尖高度在机精密调整装置实现，所述的车削刀尖高度在机精密调整装置，包括主控制器、刀尖高度精密检测装置和刀尖高度精密调整装置；
所述的刀尖高度精密检测装置，包括高精度位移检测控制器、高精度位置检测传感器(10)、传感器支座(11)；所述的高精度位移检测控制器和高精度位置检测传感器(10)通过信号线相连，组成刀尖高度精密检测系统，高精度位置检测传感器(10)固定安装传感器支座(11)上，传感器支座(11)与主轴座(15）固定连接；
所述的刀尖高度精密调整装置，包括微纳米运动控制器、上刀架块锁紧螺钉(5)、刀架底座(51)、燕尾形导轨锁紧螺钉(52)、刀架固定螺栓(53)、差动螺杆(54)、燕尾形导轨(55)、T形锁紧螺母(56)、上刀架块固定螺钉(57)、上刀架块(58)、微纳米移动台(59)、下刀架块(510)；所述的微纳米运动控制器和微纳米移动台(59)通过导线相连组成微纳米高度调整系统，所述的上刀架块(58)固定在微纳米移动台(59)上方，所述的微纳米移动台(59)固定在下刀架块(510)上，所述的上刀架块(58)和下刀架块(510)均通过燕尾槽和燕尾形导轨(55)配合和刀架底座(51)相连，用于上刀架块(58)和下刀架块(510)相对刀架底座(51)运动时导向；所述的燕尾形导轨(55)通过燕尾形导轨锁紧螺钉(52)和刀架底座(51)固定；所述刀架底座(51)安装在大理石座(4)上；
所述的下刀架块(510)和刀架底座(51)还通过差动螺杆(54)相连，用于粗调下刀架块(510)在刀架底座(51)上的高度位置，从而实现上刀架块(58)和微纳米移动台(59)整体高度粗调；
所述微纳米移动台(59)用于精调上刀架块(58)的高度位置，上刀架块锁紧螺钉(5)与上刀架块(58) T形槽中的T形锁紧螺母(56)配合使用，用于锁定上刀架块(58)相对刀架底座(51)的高度位置；
所述的精密调整方法包括以下步骤：
A、安装刀尖高度精密检测装置
将传感器支座(11)固定在主轴座(15）上，将高精度位置检测传感器(10)固定安装在传感器支座(11)上，将高精度位置检测传感器(10)和高精度位移检测控制器相连，同时高精度位移检测控制器与主控制器相连；
B、安装刀尖高度精密调整装置
将刀尖高度精密调整装置固定安装在底座上，将微纳米移动台(59)与微纳米运动控制器相连，微纳米运动控制器与主控制器相连；
C、刀尖高度精密检测装置高度调整及主轴回转中心高度检测
先将工件夹具(12)安装在机床主轴(16)的主轴法兰(13)上，再将试样安装在工件夹具(12)上，将垫块(6)安装在上刀架块(58)上，再将加工刀具(7)安装在垫块(6)上；通过试切法对样件端面进行加工，然后采用高倍率显微镜观测样件中心形貌，计算样件中心凸台直径大小，并通过刀尖高度精密调整装置上的差动螺杆(54)粗调刀具(7)的刀尖(71)的高度；
待样件中心凸台直径小于微纳米移动台(59)的行程，开始采用微纳米运动控制器控制微纳米移动台(59)运动对刀尖(71)高度进行精密调整；待刀尖(71)高度相对主轴回转中心的高差小于等于δ时，通过上刀架块锁紧螺钉(5)将刀具高度锁定，其中，δ为刀尖至机床主轴(16)实际回转中心线的实际高度差值，根据轮廓精度加工要求选择确定；
控制机床X轴托板(17)和Z轴托板(3)分别沿床身(1)上的X轴导轨(18)和Z轴导轨(2)移动，使刀具(7)的刀尖(71)到达刀尖高度精密检测装置的高精度位置检测传感器(10)处，调整高精度位置检测传感器(10)的高度，使刀具(7)的刀尖(71)在高精度位置检测传感器(10)测量量程范围内，通过传感器锁紧螺钉(9)将高精度位置检测传感器(10)固定，并记录此时高精度位置检测传感器(10)的位移值H0；
D、刀具角度及刀尖高度调整
将工件(8)安装在工件夹具(12)上调整工件(8)的位置并固持后开始加工，加工时根据工件(8)内/外表面加工需求，当刀具(7)刀片更换或角度转动后，刀尖(71)高度会发生变化，此时：首先松开上刀架块锁紧螺钉(5)，通过微纳米运动控制器控制微纳米移动台(59)下移，使刀尖(71)高度降到最低；然后控制控制机床X轴托板(17)和Z轴托板(3)分别沿X轴导轨(18)和Z轴导轨(2)移动，使刀尖(71)到达刀尖高度精密检测装置的高精度位置检测传感器(10)处；再次通过主控制器控制微纳米运动控制器控制微纳米移动台(59)上移至高精度位置检测传感器(10)位置值等于H0，则完成刀尖(71)高度调整，上刀架块锁紧螺钉(5)将刀具(7)高度锁定。
2.根据权利要求1所述的车削刀尖高度在机精密调整方法，其特征在于，所述的微纳米移动台(59)的行程为30-50 μm。
3.根据权利要求1所述的一种车削刀尖高度在机精密调整方法，其特征在于，所述的高精度位置检测传感器(10)包括电感测微仪、激光位移传感器或电容位移传感器。
4.根据权利要求1所述的一种车削刀尖高度在机精密调整方法，其特征在于，所述微纳米移动台(59)为微纳米压电陶瓷驱动台、音圈电机或磁致伸缩。
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