CN114871822A - 一种无离心力切削装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无离心力切削装置，属于机加工技术领域，主要用于弱刚度轴，即细长轴的车削加工。所述切削装置设置于机架上，包括主轴、位于主轴前端的切削机构，以及位于主轴后端的用于驱动主轴旋转的驱动机构；所述主轴包括内轴和外轴，内轴和外轴转动连接，分别由内轴电机和外轴电机驱动；所述切削结构由外轴驱动进行圆周切削，内轴和外轴的相对差速运动进行合成实现刀具径向进给。本发明所提供的无离心力切削装置，可减小弱刚度轴的加工变形，减小离心力对加工过程的影响，同时提高弱刚度轴的加工质量、加工效率；并使弱刚度轴的加工更加智能化、柔性化，减小弱刚度轴加工的操作难度，降低对操作员的技术要求，提高轴类零件的加工水平。

Description

一种无离心力切削装置

技术领域

本发明涉及机加工技术领域，具体涉及一种用于弱刚度轴的无离心力切削装置。

背景技术

在机械生产加工制造中，车床是应用最广泛的一类，约占机床总数的50％，轴类零件是车床加工中最常见类型。弱刚度轴是轴类零件常见的一种，如丝杆、传动轴等，属于难加工轴类零件。细长轴为典型的弱刚度轴，细长轴的定义：轴的长度与直径之比大于25(即L/D>25)。细长轴通常有车外圆、车阶梯和车螺纹等加工工艺。在细长轴加工中，由离心力引起的不稳定性会使工件发生变形、产生震动，降低工件的加工精度和表面质量，从而降低整机的装配精度和使用精度。

传统的细长轴加工方法通常采用车床一夹一顶，配合中心架或跟刀架的方法进行加工。使用中心架的方法存在加工次数增多，夹持力控制难度大，离心力仍然不能忽视，加工效率低的缺点。而使用跟刀架对细长轴进行加工，跟刀架容易与轴的外圆接触过紧或者过松，出现振刀现象，存在竹节形、多棱形等缺陷，影响加工质量。

为了解决以上问题，一些学者对细长轴工艺进行了改进。梁满营等在传统数控加工的基础上，采用直线插补和圆弧插补相结合的插补方式加工以消除锥形和鼓形的缺陷，提高加工质量。但是此方法只适用于数控机床，不同品牌的数控机床的插补功能也有差别，所以适用范围狭窄。李晓舟等设计了一种磁力跟刀架，解决了传统跟刀架接触不足的问题，经过实验该磁力跟刀架能有效减小工件加工振动。但该磁力跟刀架无法避免跟刀架加工效率低的问题。王南等深入研究了基于拉夹法逆向车削细长轴加工的方法，并采用模拟分析方法验证了此方法，结果表明能有效的减小细长轴的弯曲变形和振动。但该方法无法避免传统单刀车削的缺陷带来的影响。郝春玲概述了螺纹滚压加工的技术要点，利用螺纹成型滚刀对工件进行压制螺纹，螺纹滚刀所需的功率大，转速慢，接触长度长，有效减小了加工径向变形和震动，效率高，但是其压制螺纹的摩檫力大，热变形大，需要大量润滑油才能维持加工。戴海港等研究了一种双刀车削加工的方法，使用两把车刀在跟刀架两边同时切削，有效地提高加工精度和效率,降低单位能耗。黄小东等设计了一种细长轴双头带锥度车削专用机床，该机床使用拉夹法代替传统顶持、用跟刀机械手代替跟刀架的装夹方案，采用两侧同时车削的方法，提高了细长轴加工刚度和加工效率。戴海港和黄小东等的研究只是对传统机床加工方法和传统机床进行改进，均没有解决离心力对工件造成震动的问题。王鹏等设计了一种变径细长轴加工专用机床，能有效的提高变径细长轴的加工精度和质量。该机床仍然摆脱不了单刀加工和工件旋转的缺陷。刘顺华概述了旋风铣削的原理及在螺纹切削中的应用，旋风铣削是现代比较先进的加工方式，旋风铣螺纹的原理是通过铣刀刀盘偏心倾斜单边高速旋转切削工件，配合进给量控制使螺纹成型。旋风铣削的不足之处在于铣刀刀盘单边切削会使工件单向受力变形。戴海港等研究了一种平面圆度上相差120度三刀车削方案，对该方案进行了受力分析，采用ANASYS软件模拟分析并得出了该方案车削工件的弯曲变形远小于传统车床加工变形的结论。该方案仅在理论上有所研究，并未实际验证理论的真实性。毛江峰等设计了一种可安装于CA6140车床上的双刀旋风刀盘及定心夹头，其能够实现刀具旋转切削，工件进给的加工方式，双刀加工从原理上减小了加工变形，有效提高了加工精度。但是双刀旋风刀盘只能用于单一直径的细长轴加工，加工不够灵活。

除此之外，一些国外的学者也对上述问题做出研究。Wu Mingming等采用有限元分析的方法研究了细长轴的车削过程，研究表明反车法能提高细长轴的加工精度。MiladAzvar等为了减少选择加工细长轴最佳工艺参数的试错次数，建立了并联车削颤振稳定性多维分析模型，此方法能快速地确定无颤振和高生产率切削条件，提高细长轴生产率和加工精度。Tie Ling Wang等利用Pro/ENGINEER和Pro/MECHANICA软件分析了不同夹紧方式对细长轴加工变形和固有频率的影响，分析得出减少加工变形和振动的工艺方案。DingPengfei等针对任意细长轴直径误差都会导致刀具磨损和加工精度变差的问题，考虑直径误差建立了可靠性参数优化模型，该模型能很好的提高选择切削参数的可靠性，提高细长轴加工精度。Hong Wang等人对反逆车削技术用于细长轴加工进行力学分析，建立了数学模型，研究表明反向车削条件下的弯曲变形及加工误差远小于正常车削。上述Wu Mingming、Milad Azvar、Tie Ling Wang等学者的研究均是从切削参数的角度，采用仿真模拟的方法进行误差分析，优化了细长轴的车削加工，提高加工精度有限，仍然不能解决离心力对工件带来的加工问题。Lian Qing Chen等研究了一种基于PID控制器的误差补偿法，用于补偿细长轴的加工误差，实验结果表明该方法能提高细长轴的加工精度。Guo Jianliang针对细长轴加工时动态响应引起的直径误差的问题，采用瑞利光束理论对车削过程进行了数值模拟，获得测量旋转工件振动引起的直径误差的方法。Lian Qing Chen、Guo Jianliang等的研究在实际误差测量方面给出解决方案，但并没有实质解决离心力影响加工的问题，提高的加工精度同样有限。Kai Bo Lu等研究了双主轴车削细长轴的动态过程，分析了旋转工件的动态响应，讨论了切削参数对轴系响应和固有频率的影响，最终给出提高加工精度的方法。但是该方法只停留在理论分析阶段。Jin Chun Feng等研究了一种细长轴车削梯形螺纹的加工方法，阐述了细长轴上加工梯形螺纹的方法和途径，为细长丝杆的高精度加工提供了经验。但仍然无法摆脱不了传统加工的缺陷。Yang Lin等对变径细长轴加工过程进行了研究，设计了一种采用了柔性液压从动件和弹性尾座的机床，有效地提高了加工精度和加工质量。但是工件旋转加工的缺陷仍然存在。

综上，以上研究局部解决了细长轴加工中出现的缺陷，但是大多未涉及多刀对称周向和径向切削，以及工件进给的切削加工研究。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种将工件旋转转化为对称刀具旋转切削，将刀具的轴向进给转化为受拉进给，工件几乎不受离心力的影响，加工工件时振动变小，避免工件单侧受力，减小工件变形，可达到提高加工精度、加工质量和加工效率的目的的无离心力切削装置。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种无离心力切削装置，设置于机架上，包括主轴、位于主轴前端的切削机构，以及位于主轴后端的用于驱动主轴旋转的驱动机构；所述主轴包括内轴和外轴，内轴和外轴转动连接，分别由内轴电机和外轴电机驱动；所述切削结构由外轴驱动进行圆周切削，内轴和外轴的相对转动速度进行合成实现刀具径向进给。

进一步地，所述切削机构包括设置于外轴前端的基架，基架上设置有与基架滑动连接并带圆弧牙的滑块，刀具固定在滑块上；内轴前端设置有盘丝；滑块上的圆弧牙与盘丝啮合，通过外轴和内轴之间的转速差，合成控制刀具进刀或退刀。

进一步地，所述切削机构的轴向两端分别设有用于装夹工件的一号夹具和二号夹具。

进一步地，所述二号夹具固定在内轴前端，并与内轴同步转动，转动时二号夹具通过静连接带动盘丝转动。

进一步地，所述二号夹具包括二号基座、以及与基座弹性顶紧的活动夹爪，夹爪头上设有滚珠与工件接触。

进一步地，所述一号夹具设置于一号基座上，为夹爪可弹性伸缩的三爪卡盘，夹爪端部带有滚轮；或者，可替换地，所述一号夹具设置于一号基座上，包括与一号基座弹性顶紧的活动夹爪，夹爪头上设有滚珠与工件接触。

进一步地，所述二号基座为牙嵌式离合器，内轴前端通过牙嵌式离合器的静连接带动盘丝转动。

进一步地，所述机架上还设置有工件进给结构，工件进给机构为自定心夹具，夹紧工件后拉动工件沿轴向移动，实现工件进给。

进一步地，所述刀具成对设置，每对刀具的车削位置对称。

进一步地，所述内轴和外轴之间通过滑动轴承连接，外轴通过轴承支承于机架上。

本发明具有如下有益效果：

1、切削机构可拆卸，安装在主轴头上，切削机构可随主轴转动切削工件。内轴和外轴通过各自的驱动电机和减速机构带动旋转，当切削定直径轴外圆时，盘丝和基架同时等速旋转，相对速度为零，刀具不进给，实现等直径切削；当切割阶梯轴、锥面等时，盘丝的的转速快于(或慢于)基架的转速，它们之间存在一定的转速差，进而实现变直径切削。内轴和外轴转速产生速度差时，合成机构(盘丝和带圆弧牙的滑块)将主轴运动和径向进给运动合成，体现为刀具进刀(或退刀)。

2、切削过程偶数把刀具对称的力相互抵消，加工过程保证工件的受力稳定，避免变形。

3、在切削机构右边一段距离固定安装一号夹具，主轴尾端或者切削机构左边安装二号夹具，一号夹具、二号夹具的卡爪设计成带滚珠或者滚轮的卡爪，能够径向夹紧同时不影响工件的轴向进给，克服工件轴向进给时其凹凸不平的表面令夹爪对工件进给造成的阻碍。

4、工件轴向进给机构采用拉夹的方式，使工件从左往右进给，以保证轴加工时的刚度。

附图说明

图1是本发明运动原理简图；

图2是本发明传动原理简图；

图3是本发明主轴机构简图；

图4是本发明实施例1结构剖面图；

图5是本发明实施例2结构剖面图；

图6是本发明二号夹具剖面图；

图7是本发明二号夹具立体图。

图中：1-主轴，101-内轴，102-外轴，2-切削机构，201-基架，202滑块，203-刀具，204盘丝，3-驱动机构，301-内轴电机，302-外轴电机，4-一号夹具，401-夹爪，402-滚轮，5-二号夹具，501-二号基座，502-活动夹爪，503-滚珠，504-弹簧，5’-一号夹具，501’-一号基座，502’-活动夹爪，503’-滚珠，504’-弹簧，6-自定心夹具，7-工件。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参照图1-4，一种无离心力切削装置，设置于机架上，主要组成为主轴1、位于主轴前端的切削机构2，以及位于主轴1后端的用于驱动主轴1旋转的驱动机构3；主轴1包括内轴101和外轴102，外轴102套在内轴101外，内、外轴之间可相互转动，由于内外轴相对转速较低，内轴101与外轴102之间采用固体润滑滑动轴承连接，也可以采用轴瓦连接。因为加工工件类型为细长轴，进给量和背吃刀量都较小，切削力也较小，所以轴承组合选择速度型组合，外轴102前支撑选用一对深沟球轴承和推力球轴承组合，双深沟球轴承提高前支撑刚度，推力球轴承前支撑配置能减小主轴热变形的影响；后支撑选择一对角接触球轴承组合，采用反装的安装方式，提高主轴抗倾覆能力。

内轴101和外轴102分别由内轴电机301和外轴电机302驱动；内、外轴分别通过各自的变速组与内、外轴电机连接，由于内轴101需要配合电控系统进行无极调速，故选择伺服电机作为动力源，可以精准调控内轴101转速，从而通过内外轴速度差来实现切削进给量。内外主轴传动方案均选择普通圆柱直齿轮传动，该传动方案简单可靠，又能保证旋转精度。如附图3和4，外轴齿轮放置在靠近前支承的地方，以减小外轴的受力变形；由于结构限制，内轴101的齿轮只能放置在尾端，为了增强内轴101尾端的刚度，在齿轮左右增加深沟球轴承作为内轴101尾端的支撑。如图3，驱动机构布置在主轴1的左右两侧，避免主轴1单侧受力向一边弯曲变形。

切削机构2固定在外轴102前端，包括基架201，基架201上设置有与基架201滑动连接并带圆弧牙的滑块202，刀具203固定在滑块202上，刀具203由外轴102驱动进行圆周切削；内轴101前端设置有盘丝204；滑块202上的圆弧牙与盘丝204啮合，通过外轴102和内轴101之间的转速差，合成控制刀具203进刀或退刀，使用盘丝的优点是盘丝的加工工艺比较成熟，通过螺距准确确定进给量，盘丝驱动的进给运动速度是等速的，能够均匀切削，且盘丝可以承受较大的径向切削反力。

固体润滑滑动轴承轴瓦外圆与外轴102内孔过盈配合，内轴101外圆与带有固体润滑剂的轴瓦内圆过渡配合，内轴101与外轴102能相对转动，通过内轴101齿轮与外轴102齿轮传输动力，分别带动盘丝204与基架201实现差速转动。内轴齿轮置于内轴101尾部，通过键带动内轴101旋转，在齿轮前后配置深沟球轴承和深沟球轴承，以增加尾部齿轮附近轴的刚度。内轴101尾部预留了一段空间放置带油盘，以将润滑油输送到润滑系统中。外轴102支承采用一端固定，一端游走的支承方式，使用套杯将前支承固定，后支承则自由地置于箱体上。由于加工细长轴转速要求较高，故前支承采用一对深沟球轴承，将推力球轴承前端配置，以保证主轴轴向精度高和刚度。后支承采用一对角接触球轴承反装配置，以提高主轴抗倾覆性。外轴齿轮通过键带动外轴102旋转，使用径向锁紧防松的锁紧螺母对齿轮进行轴向固定，齿轮配置靠近前支承，以提高主轴刚度。

本发明为了使盘丝204和基架201同时旋转，巧妙地采用轴套轴的结构，内轴101实现盘丝转动，外轴102实现圆周切削运动，内轴101右端通过牙嵌式离合器的静连接带动盘丝204转动，外轴102通过螺栓紧固带动基架201转动，若内轴101转速快于(或慢于)外轴102，盘丝204和基架201就会产生一个相对转速，使刀具进给(或退刀)。当切削定直径轴外圆时，盘丝204和基架202同时等速旋转，相对速度为零，刀具203不进给，实现等直径切削；当切割阶梯轴、锥面等时，盘丝204的的转速快于(或慢于)基架202的转速，它们之间存在一定的转速差，体现为刀具进刀(或退刀)，进而实现变直径切削。

滑块202上的圆弧牙与盘丝螺纹接合传动，理论上是圆弧牙牙型要与平面螺纹一致，接触面大，传动效果最好，但是若牙型与平面螺纹一致，由于几何关系不同，会导致圆弧牙无法在盘丝平面螺纹的凹牙上滑动。设计圆弧牙牙型时，由于盘丝螺纹为阿基米德螺旋，圆弧牙上、下圆弧需要拟合一段阿基米德螺线，计算出偏置圆弧，且圆弧牙凸牙外侧圆弧半径要小于平面螺纹最小半径，凸牙内侧圆弧半径要大于平面螺纹最大半径，才能使圆弧牙能在平面螺纹每个位置滑动。

机架上设置轨道，工件进给机构在轨道上滑动连接，工件进给机构为自定心夹具6，夹紧工件7后通过驱动机构驱动，拉动工件7向右移动，从而实现工件进给，拉夹的方式可以保证轴加工时的刚度。自定心夹具6如何实现自定心，是另一个完整的技术方案，在本发明不做详细描述。

刀具203成对设置，每对刀具203的车削位置对称，充分利用了对称力所带来的切削稳定性，刀具203既能周向对称旋转切削，又能同时径向进给切削，工件7则只进行轴向的进给运动。

如附图2、4所示，在切削机构2右边一段距离的机架上安装一号夹具4，主轴尾端安装二号夹具5。二号夹具5安装在内轴101与切削机构2之间，与内轴101固连；二号夹具5的活动夹爪502设置在二号基座501内，通过弹簧使得活动夹爪502顶出，四个活动夹爪502紧靠在一起。夹爪头安装有滚珠503与工件接触，该机构的工作原理：初始状态弹,504有预压缩量，使四个夹爪紧靠在一起，当工件7进给时，工件7将活动夹爪502顶开，活动夹爪502夹持工件7，当加工工件7时，主轴1旋转，二号夹具5也跟随着旋转，活动夹爪502上的滚珠503能使活动夹爪502与工件7进行旋转和平移的相对运动，当工件7直径改变，活动夹爪502上的弹簧能适应工件直径，让活动夹爪502自由变化夹紧工件。

实施例2

如附图5所示，在实施例1的基础上，本实施例的一号夹具5'位置不变，二号夹具5固定在内轴前端。一号夹具5'和二号夹具5采用相同的柔性夹持结构,二号夹具5包括二号基座501、活动夹爪502、滚珠503和弹簧504，一号夹具5’包括一号基座501’、活动夹爪502’、滚珠503’和弹簧504’。二号基座501为牙嵌式离合器，二号夹具5与内轴101同步转动，内轴101通过牙嵌式离合器的静连接带动盘丝204转动。

二号夹具5和一号夹具5’的四个活动夹爪502、502’均布在二号基座501、501’圆周上，在二号基座501、501’的通槽内自由移动，活动夹爪502、502’上带有耳朵板防止从通槽内脱落。顶盖通过螺钉嵌在二号基座501、501’外圆上，导柱通过螺钉安装在顶盖上。活动夹爪502、502’上有盲孔，正对着导柱，弹簧504、504’安装在盲孔内并穿过导柱，能随着活动夹爪502、502’的移动而自由伸缩。每个活动夹爪502、502’都安装有两滚珠503、503’，用于减小活动夹爪502、502’与工件间的摩擦，滚珠503、503’安装在夹爪头上，通过挡盖限制其轴向位移，活动夹爪502、502’上安装滚珠503、503’的正六边形凹槽则限制滚珠的径向位移。活动夹爪502、502’上设计有斜面，用于分解工件与夹爪的作用力，使工件能够顶开夹爪。二号基座501正反两面均带有牙嵌式离合器矩形齿，安装在内轴101和盘丝204之间，正反两面分别与盘丝204和内轴101的矩形齿啮合传递动力。二号基座501上的四个沉头孔用于安装在内轴101上的轴向定位。

实施例3

如附图4所示，本实施例3提供的一种无离心力切削装置，在实施例1的基础上，二号夹具5采用弹性夹爪和滚珠503的结构，一号夹具4采用弹性三爪卡盘结构，三爪卡盘的活动爪的爪头上设置滚轮(滚轮与滚珠作用一致)，一号夹具4和二号夹具5同心。二号夹具5配合安装在切削机构2右边的带滚轮402和弹簧夹爪的一号夹具4一起装夹工件，可很好的增强工件的加工刚度。由于夹爪的弹性结构可通过多种方式实现，比如，在现有的夹爪卡盘上，夹爪做分体式设计，一个分体与盘丝啮合，固定大概位置，另一个分体通过弹性结构与前面所述分体连接，工件的直径变化范围在弹性结构的形变范围内即可，因此本发明未对此结构附详细图纸说明。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无离心力切削装置，设置于机架上，其特征在于：包括主轴、位于主轴前端的切削机构，以及位于主轴后端的用于驱动主轴旋转的驱动机构；

所述主轴包括内轴和外轴，内轴和外轴转动连接，分别由内轴电机和外轴电机驱动；

所述切削结构由外轴驱动进行圆周切削，内轴和外轴的相对转动速度差进行合成实现刀具径向进给。

2.根据权利要求1所述的无离心力切削装置，其特征在于：所述切削机构包括设置于外轴前端的基架，基架上设置有与基架滑动连接并带圆弧牙的滑块，刀具固定在滑块上；内轴前端设置有盘丝；滑块上的圆弧牙与盘丝啮合，通过外轴和内轴之间的转速差，合成控制刀具进刀或退刀。

3.根据权利要求2所述的无离心力切削装置，其特征在于：所述切削机构的轴向两端分别设有用于装夹工件的一号夹具和二号夹具。

4.根据权利要求3所述的无离心力切削装置，其特征在于：所述二号夹具固定在内轴前端，并与内轴同步转动，转动时二号夹具通过静连接带动盘丝转动。

5.根据权利要求4所述的无离心力切削装置，其特征在于：所述二号夹具包括二号基座、以及与二号基座弹性顶紧的活动夹爪，夹爪头上设有滚珠与工件接触。

6.根据权利要求5所述的无离心力切削装置，其特征在于：所述一号夹具设置于一号基座上，为夹爪可弹性伸缩的三爪卡盘，夹爪端部带有滚轮；或者，所述一号夹具设置于一号基座上，包括与一号基座弹性顶紧的活动夹爪，夹爪头上设有滚珠与工件接触。

7.根据权利要求5所述的无离心力切削装置，其特征在于：所述二号基座为牙嵌式离合器，内轴前端通过牙嵌式离合器的静连接带动盘丝转动。

8.根据权利要求1所述的无离心力切削装置，其特征在于：所述机架上还设置有工件进给结构，工件进给机构为自定心夹具，夹紧工件后拉动工件沿轴向移动，实现工件进给。

9.根据权利要求2所述的无离心力切削装置，其特征在于：所述刀具成对设置，每对刀具的车削位置对称。

10.根据权利要求1所述的无离心力切削装置，其特征在于：所述内轴和外轴之间通过滑动轴承连接，外轴通过轴承支承于机架上。

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