CN115179085B - 一种用于航空航天零件制造的高精度加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机加工技术领域。目的在于提供一种用于航空航天零件制造的高精度加工装置，包括旋转主轴，设置在旋转主轴上的分段补偿式刀柄，以及设置在分段补偿式刀柄上的铣削刀具；所述分段补偿式刀柄包括锥形段，以及设置在锥形段一端的、用于安装铣削刀具的刀具夹头；所述旋转主轴的端部设置有与锥形段相配合的锥孔，所述分段补偿式刀柄的锥形段穿设在锥孔内，并通过设置在铣床上的拉紧螺钉拉紧。本发明能够实现对BT刀柄锥形段与旋转主轴锥孔之间径向间隙的分段补偿，保证了分段补偿式刀柄在锥孔内的连接刚性、定位准确性，进而保证了铣削刀具的加工精度、使用寿命等，尤其适合在超高速铣削中进行应用。

Description

一种用于航空航天零件制造的高精度加工装置

技术领域

本发明涉及机加工技术领域，具体涉及一种用于航空航天零件制造的高精度加工装置。

背景技术

精密铣床是机加工中广泛应用的一种加工设备，目前，在高精度的航空航天部件加工中已得到广泛的应用，如航空发动机外壳、扇叶等等的铣削加工。铣削系统作为铣床的核心组成部分，通常包括加工主轴、刀柄、用于安装刀具的刀具夹头、用于执行铣削的刀具等，刀柄作为连接刀具和加工主轴之间的纽带，其对于加工精度、刀具使用寿命等的影响均是至关重要的。

BT刀柄是靠锥面进行定位的单面定位刀柄，具有结构简单、对刀具和加工主轴适配范围广等特点，BT刀柄与加工主轴连接的一段为圆锥形，加工主轴上设置有相适配的锥孔，安装时，刀柄的圆锥段插入锥孔内，并利用插设在圆锥段端部的螺纹孔内的拉紧螺钉将BT刀柄带紧在锥孔内。但BT刀柄在应用过程中，随着加工转速的提高，BT刀柄和加工主轴的锥孔都会发生离心膨胀，且加工主轴的锥孔的离心膨胀量大于BT刀柄的离心膨胀量，进而导致二者之间产生径向间隙，对结合的刚度、加工的精度、刀具的使用寿命等均具有不良影响。因此，传统结构的BT刀柄并不适宜进行高速铣削。

为解决上述问题，现有技术中出现了一些技术方案，通过液性介质对刀柄的离心膨胀量进行补偿，以降低径向间隙，达到提高加工转速、提高刀具定位精度，最终提高加工精度的目的。如公开号为CN106670522B的中国授权发明专利，其刀柄主体内部设置为空心结构，并穿设芯轴，芯轴与刀柄主体之间(在圆锥段对应的区域)设置锥形的补偿腔，补偿腔内注入液态介质。静态下，芯轴在多个力的作用下平衡；在高速动态下，芯轴在拉钉力作用下右移，挤压液态介质，通过液态介质对压力的传递，以实现对锥形段离心膨胀量的补偿。这种方式对于BT刀柄在高速铣削回转工作过程中的离心膨胀量具有较为显著的补偿效果。

但发明人在长期的实践过程中发现，在超高速(主轴转速在15000r/min以上)的铣削回转工作过程中，这种补偿方式的效果却极为有限，经过研究，发明人发现，以最为常见的圆柱形加工主轴为例，加工主轴在锥孔外端处的离心膨胀量相较于锥孔内端处的离心膨胀量更大，也就是锥孔两端的离心膨胀量之差相对较大；而刀柄由于采用空心结构，其两端的离心膨胀量相对均衡，也就是刀柄锥形段两端的离心膨胀量之差相对较小；这就导致在刀柄锥形段大端(与锥孔外端相对)需求的补偿量相对较大，而刀柄锥形段小端(与锥孔内端相对)需求的补偿量相对较小；换言之，也就是对液态介质在刀柄锥形段两端的补偿量需求有差异，大端补偿量需求大、小端补偿量需求小；而现有的液态补偿方式采用统一补偿量，不对大小端采用差异化补偿。而在超高速铣削回转下，刀柄锥形段在锥孔内外端的补偿误差被放大，进而极大的影响到刀柄整体的定位精度、刀具的加工精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现刀柄位置离心膨胀量差异化补偿的用于航空航天零件制造的高精度加工装置。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于航空航天零件制造的高精度加工装置，包括旋转主轴，设置在旋转主轴上的分段补偿式刀柄，以及设置在分段补偿式刀柄上的铣削刀具；

所述分段补偿式刀柄包括锥形段，以及设置在锥形段一端的、用于安装铣削刀具的刀具夹头；所述旋转主轴的端部设置有与锥形段相配合的锥孔，所述分段补偿式刀柄的锥形段穿设在锥孔内，并通过设置在铣床上的拉紧螺钉拉紧；

所述锥形段的轴心设置有沿锥形段长度方向延伸的中心孔，以形成空心结构；所述分段补偿式刀柄还包括设置在中心孔内部的中心轴，所述中心轴远离刀具夹头的一端设置有与拉紧螺钉相配合的拉钉螺纹孔，且在靠近拉钉螺纹孔一段的周面上设置有末端凸台，所述中心孔内与末端凸台相对的位置设置有末端挡台，所述末端挡台与末端凸台之间设置有碟形弹簧；所述拉紧螺钉穿过旋转主轴上的尾孔，并伸入拉钉螺纹孔内将中心轴和锥形段拉紧在旋转主轴的锥孔内；

所述中心孔的中段设置有与锥形段的锥度相适配的、锥形的补偿槽，所述补偿槽的侧壁上沿补偿槽的长度方向均匀分布有多道环形的外分隔棱，所述中心轴的周面上设置有多道环形的内分隔棱，所述内分隔棱的数量较外分隔棱的数量多两道，内分隔棱的外径由靠近刀具夹头的一端朝另一端逐渐变小；位于所述补偿槽两端的中心孔的内径分别与两端的两道内分隔棱的外径相适配；所述内分隔棱、外分隔棱、补偿槽和中心轴之间共同围成多级补偿腔，所述补偿腔内充填液态补偿介质；在动态下，所述中心轴朝远离刀具夹头的一端运动时，受相邻两道内分隔棱的外径差异的影响，各级所述补偿腔的容积均变小，且各级补偿腔容积的变小量由靠近刀具夹头的一端朝另一端逐渐变小。

优选的，每两道相邻的所述内分隔棱的外径差均相同。

优选的，每两道相邻的所述内分隔棱的外径差由靠近刀具夹头的一端朝另一端逐渐变小。

优选的，与所述内分隔棱对应的中心孔内壁和外分隔棱内壁上均设置有环形的密封槽，所述密封槽内设置有密封圈。

优选的，所述内分隔棱包括环形的棱体和设置在中心轴上的环形的棱根，各所述内分隔棱的棱根外径相同，且棱体套设在棱根上并与棱根构成过盈配合；所述棱体与棱根之间还对应设置有若干桥接杆，所述桥接杆嵌设在棱体和棱根内，并通过桥接螺栓分别与棱体和棱根固定连接。

优选的，每一个所述内分隔棱的棱体上均对称设置有两个贯穿棱体两面的注油孔，所述注油孔内适配有封堵杆。

优选的，所述封堵杆与注油孔螺纹连接。

优选的，所述锥形段靠近刀具夹头一端的中心孔处设置有连接肩台，所述刀具夹头与锥形段对应的一端设置有与连接肩台相适配的连接部，所述连接部伸入连接肩台内，并通过夹头螺钉与锥形段锁紧。

优选的，所述锥形段较大一端的周面上设置有一圈横截面呈V形的退刀槽。

本发明的有益效果集中体现在：能够实现对BT刀柄锥形段与旋转主轴锥孔之间径向间隙的分段补偿，保证了分段补偿式刀柄在锥孔内的连接刚性、定位准确性，进而保证了铣削刀具的加工精度、使用寿命等，尤其适合在超高速铣削中进行应用。具体来说，本发明在使用过程中，整体原理是，在静态下，中心轴处于静态平衡状态；在动态下，随着旋转主轴和刀柄自身的高速转动，锥孔和分段补偿式刀柄产生离心膨胀量，由于各内分隔棱的内径由靠近刀具夹头的一端朝另一端逐渐变小，液态补偿介质对相邻两道内分隔棱的压力减小量存在差异，进而驱动中心轴朝远离刀具夹头的一端运动；

在中心轴运动过程中，各级补偿腔的容积变小，由于液态补偿介质具有不可压缩性，其能够使得补偿槽对应的整个锥形段的外壁受到来自液态补偿介质的压力，实现膨胀，进而对锥孔与锥形段之间的径向间隙进行补偿。其尤为特殊之处在于，由于锥孔外端的离心膨胀量大于内端的离心膨胀量；传统液态补偿方式由于锥形段整段上的补偿量基本一致，并不能与这种补偿需求相适应。而本发明由于设置有多级补偿腔，在中心轴运动的过程中，每一级补偿腔的容积变小量逐渐变小，这就使得每一级补偿腔对应的补偿槽外侧壁受到的补偿量也逐渐变小，正好适配锥孔和分段补偿式刀柄之间的径向间隙补偿量需求。因此，本发明能够极好的解决BT刀柄在超高速工况下存在的径向间隙分段补偿需求，进而保证BT刀柄的连接刚性、定位稳定性以及其上的铣削刀具的加工精度和使用寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的内部结构示意图；

图3为锥形段的内部结构示意图；

图4为中心轴的结构示意图；

图5为图4的俯视图。

具体实施方式

如图1-5所示的，一种用于航空航天零件制造的高精度加工装置，与传统铣床相同之处在于，其均包括铣削系统、进给系统、电源系统等等，本发明相较于传统铣床而言，而铣削系统又包括加工主轴、刀柄、用于安装刀具的刀具夹头、用于执行铣削的刀具等等。本发明相较于传统铣床，其最大的不同之处在于铣削系统的改良上，尤其是在于加工主轴(也就是下文所述的旋转主轴1)与刀具(也就是下文所述的铣削刀具)之间的连接节点刀柄(也就是下文所述的分段补偿式刀柄)处的改良。

如图1中所示，本发明也包括旋转主轴1，设置在旋转主轴1上的分段补偿式刀柄，以及设置在分段补偿式刀柄上的铣削刀具。所述分段补偿式刀柄包括锥形段2，以及设置在锥形段2一端的、用于安装铣削刀具的刀具夹头3，关于锥形段2和刀具夹头3之间的装配形式，其具体可以如图2中所示，所述锥形段2靠近刀具夹头3一端的中心孔5处设置有连接肩台24，所述刀具夹头3与锥形段2对应的一端设置有与连接肩台24相适配的连接部25，所述连接部25伸入连接肩台24内，并通过夹头螺钉26与锥形段2锁紧。所述锥形段2较大一端的周面上设置有一圈横截面呈V形的退刀槽27。而刀具夹头3与铣削刀具之间的连接形式可参照现有同类产品的设计。

本发明所述旋转主轴1的端部设置有与锥形段2相配合的锥孔4，所述分段补偿式刀柄的锥形段2穿设在锥孔4内，并通过设置在铣床上的拉紧螺钉拉紧，形成固定，并通过锥孔4与锥形段2的锥面结合形成定位。如图3中所示，所述锥形段2的轴心设置有沿锥形段2长度方向延伸的中心孔5，以形成空心结构。

所述分段补偿式刀柄还包括设置在中心孔5内部的中心轴6，中心轴6穿设在中心孔5内，如图2和4中所示，所述中心轴6远离刀具夹头3的一端，也就是图中的下端设置有与拉紧螺钉相配合的拉钉螺纹孔7，且在靠近拉钉螺纹孔7一段的周面上设置有末端凸台8，所述中心孔5内与末端凸台8相对的位置设置有末端挡台9，所述末端挡台9与末端凸台8之间设置有碟形弹簧10。所述拉紧螺钉穿过旋转主轴1上的尾孔11，并伸入拉钉螺纹孔7内将中心轴6和锥形段2拉紧在旋转主轴1的锥孔4内。在静态下，中心轴6在碟形弹簧10、拉紧螺钉以及其他分力(主要指下文所述的液态补偿介质压力)的共同作用下，在中心孔5内处于平衡状态。

如图2和3中所示，所述中心孔5的中段设置有与锥形段2的锥度相适配的、锥形的补偿槽13，所述补偿槽13的侧壁上沿补偿槽13的长度方向均匀分布有多道环形的外分隔棱14，所述中心轴6的周面上设置有多道环形的内分隔棱15，所述内分隔棱15的数量较外分隔棱14的数量多两道，如图中所示，在该实施例中，外分隔棱14的数量为2道，则内分隔棱15的数量为4道。其本质是内分隔棱15和外分隔棱14共同对补偿槽13进行分隔，理论上内外分隔棱的数量应当保持一致，但如图2中所示，由于补偿槽13的上下两端的中心孔5内壁可以看作是两道外分隔棱14，故外分隔棱14的数量要少两道。

本发明内分隔棱15的外径由靠近刀具夹头3的一端朝另一端逐渐变小，也就是图中的上端朝下端逐渐变小。从而使得中心轴6在运动的过程中，各补偿腔16的容积变化存在差额，进而对各段的液态补偿介质具有不同的压力，最终实现补偿量的分段调整。位于所述补偿槽13两端的中心孔5的内径分别与两端的两道内分隔棱15的外径相适配，从而直接利用对应的中心孔5的内侧壁充当外分隔棱14。

本发明所述内分隔棱15、外分隔棱14、补偿槽13和中心轴6之间共同围成多级补偿腔16，如图2中所示，补偿腔16共构建有三级。所述补偿腔16内充填液态补偿介质，所述液态补偿介质使用具有流动性好、不易变质等特性的液态物质即可，如油脂、高流动性树脂等。本发明在动态下，所述中心轴6朝远离刀具夹头3的一端运动时，受相邻两道内分隔棱15的外径差异的影响，各级所述补偿腔16的容积均变小，且各级补偿腔16容积的变小量由靠近刀具夹头3的一端朝另一端逐渐变小。如图2中所示，换言之也就是说，当中心轴6朝下运动时，最上一级的补偿腔16的容积变化最大，而最下一级补偿腔16的容积变化最小，而中间的各级是逐次减小的。

当然，本发明由于各内分隔棱15均设置在中心轴6上，当中心轴6运动时，各内分隔棱15在高度方向上的变化是一致的，要形成前文所述的容积变小量逐渐变小的状态，可采用的方式包括以下两种：

一、每两道相邻的所述内分隔棱15的外径差均相同。例如：最上方两道的外径差为10mm，第二和第三道的外径差也为10mm，第三道和第四道的外径差也为10mm。

二、也可以是每两道相邻的所述内分隔棱15的外径差由靠近刀具夹头3的一端朝另一端逐渐变小。例如：最上方两道的外径差为10mm，第二和第三道的外径差为8mm，第三道和第四道的外径差为为6mm。

采用上述两种形式后，当中心轴6朝下运动时，第一级补偿腔16的容积变小量始终大于第二级补偿腔16，而第二级补偿腔16又大于第三级补偿腔16，以此类推。

本发明在使用过程中，在静态下，中心轴6处于静态平衡状态；在动态下，随着旋转主轴1和刀柄自身的高速转动，锥孔4和分段补偿式刀柄产生离心膨胀量，由于各内分隔棱15的内径由靠近刀具夹头3的一端朝另一端逐渐变小，液态补偿介质对相邻两道内分隔棱15的压力减小量存在差异，进而驱动中心轴6朝远离刀具夹头3的一端运动；也就是图2中的朝下运动。

在中心轴6运动过程中，各级补偿腔16的容积变小，由于液态补偿介质具有不可压缩性，其能够使得补偿槽13对应的整个锥形段2的外壁受到来自液态补偿介质的压力，实现膨胀，进而对锥孔4与锥形段2之间的径向间隙进行补偿。其尤为特殊之处在于，由于锥孔4外端的离心膨胀量大于内端的离心膨胀量；传统液态补偿方式由于锥形段整段上的补偿量基本一致，并不能与这种补偿需求相适应。而本发明由于设置有多级补偿腔16，在中心轴6运动的过程中，每一级补偿腔16的容积变小量逐渐变小，这就使得每一级补偿腔16对应的补偿槽13外侧壁受到的补偿量也逐渐变小，正好适配锥孔4和分段补偿式刀柄之间的径向间隙补偿量需求。因此，本发明能够极好的解决BT刀柄在超高速工况下存在的径向间隙分段补偿需求，进而保证BT刀柄的连接刚性、定位稳定性以及其上的铣削刀具的加工精度和使用寿命。

当然，为了更好的保证各级补偿腔16之间的密封，本发明与所述内分隔棱15对应的中心孔5内壁和外分隔棱14内壁上均设置有环形的密封槽17，所述密封槽17内设置有密封圈。为了更加便捷的实现中心轴6上的各内分隔棱15的装配，如图4和5中所示，本发明所述内分隔棱15包括环形的棱体18和设置在中心轴6上的环形的棱根19，各所述内分隔棱15的棱根19外径相同，且棱体18套设在棱根19上并与棱根19构成过盈配合。所述棱体18与棱根19之间还对应设置有若干桥接杆20，所述桥接杆20嵌设在棱体18和棱根19内，并通过桥接螺栓21分别与棱体18和棱根19固定连接。装配式，可先在低温冷缩下进行装配，在温度恢复后自然形成过盈配合。

为了便于将液态补偿介质充入每一级补偿腔16内，每一个所述内分隔棱15的棱体18上均对称设置有两个贯穿棱体18两面的注油孔22，所述注油孔22内适配有封堵杆23，所述封堵杆23与注油孔22螺纹连接，便于拆装。

Claims (9)

1.一种用于航空航天零件制造的高精度加工装置，包括旋转主轴(1)，设置在旋转主轴(1)上的分段补偿式刀柄，以及设置在分段补偿式刀柄上的铣削刀具；

所述分段补偿式刀柄包括锥形段(2)，以及设置在锥形段(2)一端的、用于安装铣削刀具的刀具夹头(3)；所述旋转主轴(1)的端部设置有与锥形段(2)相配合的锥孔(4)，所述分段补偿式刀柄的锥形段(2)穿设在锥孔(4)内，并通过设置在铣床上的拉紧螺钉拉紧；

所述锥形段(2)的轴心设置有沿锥形段(2)长度方向延伸的中心孔(5)，以形成空心结构；所述分段补偿式刀柄还包括设置在中心孔(5)内部的中心轴(6)，所述中心轴(6)远离刀具夹头(3)的一端设置有与拉紧螺钉相配合的拉钉螺纹孔(7)，且在靠近拉钉螺纹孔(7)一段的周面上设置有末端凸台(8)，所述中心孔(5)内与末端凸台(8)相对的位置设置有末端挡台(9)，所述末端挡台(9)与末端凸台(8)之间设置有碟形弹簧(10)；所述拉紧螺钉穿过旋转主轴(1)上的尾孔(11)，并伸入拉钉螺纹孔(7)内将中心轴(6)和锥形段(2)拉紧在旋转主轴(1)的锥孔(4)内；

其特征在于：所述中心孔(5)的中段设置有与锥形段(2)的锥度相适配的、锥形的补偿槽(13)，所述补偿槽(13)的侧壁上沿补偿槽(13)的长度方向均匀分布有多道环形的外分隔棱(14)，所述中心轴(6)的周面上设置有多道环形的内分隔棱(15)，所述内分隔棱(15)的数量较外分隔棱(14)的数量多两道，内分隔棱(15)的外径由靠近刀具夹头(3)的一端朝另一端逐渐变小；位于所述补偿槽(13)两端的中心孔(5)的内径分别与两端的两道内分隔棱(15)的外径相适配；所述内分隔棱(15)、外分隔棱(14)、补偿槽(13)和中心轴(6)之间共同围成多级补偿腔(16)，所述补偿腔(16)内充填液态补偿介质；在动态下，所述中心轴(6)朝远离刀具夹头(3)的一端运动时，受相邻两道内分隔棱(15)的外径差异的影响，各级所述补偿腔(16)的容积均变小，且各级补偿腔(16)容积的变小量由靠近刀具夹头(3)的一端朝另一端逐渐变小。

2.根据权利要求1所述的用于航空航天零件制造的高精度加工装置，其特征在于：每两道相邻的所述内分隔棱(15)的外径差均相同。

3.根据权利要求1所述的用于航空航天零件制造的高精度加工装置，其特征在于：每两道相邻的所述内分隔棱(15)的外径差由靠近刀具夹头(3)的一端朝另一端逐渐变小。

4.根据权利要求2所述的用于航空航天零件制造的高精度加工装置，其特征在于：与所述内分隔棱(15)对应的中心孔(5)内壁和外分隔棱(14)内壁上均设置有环形的密封槽(17)，所述密封槽(17)内设置有密封圈。

5.根据权利要求4所述的用于航空航天零件制造的高精度加工装置，其特征在于：所述内分隔棱(15)包括环形的棱体(18)和设置在中心轴(6)上的环形的棱根(19)，各所述内分隔棱(15)的棱根(19)外径相同，且棱体(18)套设在棱根(19)上并与棱根(19)构成过盈配合；所述棱体(18)与棱根(19)之间还对应设置有若干桥接杆(20)，所述桥接杆(20)嵌设在棱体(18)和棱根(19)内，并通过桥接螺栓(21)分别与棱体(18)和棱根(19)固定连接。

6.根据权利要求5所述的用于航空航天零件制造的高精度加工装置，其特征在于：每一个所述内分隔棱(15)的棱体(18)上均对称设置有两个贯穿棱体(18)两面的注油孔(22)，所述注油孔(22)内适配有封堵杆(23)。

7.根据权利要求6所述的用于航空航天零件制造的高精度加工装置，其特征在于：所述封堵杆(23)与注油孔(22)螺纹连接。

8.根据权利要求7所述的用于航空航天零件制造的高精度加工装置，其特征在于：所述锥形段(2)靠近刀具夹头(3)一端的中心孔(5)处设置有连接肩台(24)，所述刀具夹头(3)与锥形段(2)对应的一端设置有与连接肩台(24)相适配的连接部(25)，所述连接部(25)伸入连接肩台(24)内，并通过夹头螺钉(26)与锥形段(2)锁紧。

9.根据权利要求8所述的用于航空航天零件制造的高精度加工装置，其特征在于：所述锥形段(2)较大一端的周面上设置有一圈横截面呈V形的退刀槽(27)。

Images