[發明專利]一種擺動式變傾角非圓切削機構及其數控車床

有效

• 申請號: 201310335660.0
• 申請日: 2013-08-02
• 公開（公告）號: CN103537717A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發明（設計）人: 艾武;李搶
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B23B5/36
• 分類號: B23B5/36;B23Q15/007;B23Q17/20;B23Q17/24;B23Q5/34
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 朱仁玲

技術領域

本發明屬于切削加工技術領域，更具體地，涉及一種擺動式變傾角非圓切削機構及其數控車床。

背景技術

非圓截面類零件在很多工業場合是重要應用零件，它們具有使用壽命長，可以產生特殊運動規律，滿足規定的特殊使用要求等優點。異型螺紋、凸輪、活塞等零件都是常見的非圓截面零件，其中最典型的是活塞。例如，現代汽車發動機的活塞不再是圓柱形的，而是具有橢圓鼓形的機械軸。活塞作為發動機的“心臟”，它承受著交變機械負荷和熱負荷，是發動機中工作條件最惡劣的關鍵零部件之一，其質量決定了發動機的工作效率。為了提高發動機的效率，現在活塞普遍設計成中凸變橢圓型面，相應地，如何更好地加工制造這類非圓截面的活塞或其他類似零件，正成為切削加工領域的重要課題。

現有技術中常用的非圓截面零件切削加工方法主要包括硬靠模加工法和軟靠模加工法等。其中硬靠模車削加工法是利用利用仿形原理，通過靠模仿形驅動刀具作切削進給運動，所使用的靠模與要加工出的非圓零件形狀相同。該加工法的優點是加工穩定性好，仿形車床自身成本相對較低，設備投資較少，在很大程度上也能滿足非圓截面零件的大批量生產；缺點是高精度的硬靠模本身加工較困難，加工成本高，而且一種靠模只能用于一種非圓截面零件的車削加工，柔性很差。所謂軟靠模加工法，是借助于計算機技術，運用數字化建模描述非圓截面零件的型面參數，即所謂的數字化靠模，其中通過計算機編程控制對應刀具驅動機構，實現非圓截面零件數控車削加工。軟靠模車削加工方法可以避免由于靠模磨損產生加工誤差，且重復加工精度高，柔性好。因此與傳統硬靠模方式相比，軟靠模的非圓車削方法具有精度高、無磨損和修改方便等眾多優點，因此是現代非圓截面零件車削的發展趨勢。

目前比較高效的非圓截面零件軟靠模加工法是采用高性能的音圈直線電機，直接驅動刀架作閉環的高速往復進給的數控加工方式。在非圓數控加工中，給定參考指令和外部擾動信號是周期性的。利用控制系統中周期性這個特點，控制快速刀具進給機構高速往復運動插補車削轉動工件，生成非圓輪廓。但是，進一步的研究表明，上述加工方法仍然存在以下缺陷：首先，按照這種數控加工方法，在非圓輪廓插補過程中，刀具僅作高速往復運動，主軸轉速恒定，那么刀尖相對于工件是一種非圓輪廓軌跡運動，致使刀具的切削角和切削速度呈周期性變化；而且當非圓度較大時，這種周期性變化易對刀具造成疲勞破壞，降低刀具的使用壽命；其次，加工過程中刀具的切削角和切削速度在不斷變化，即加工狀態不恒定，則被加工工件表面的加工質量不均勻，增大了加工面的粗糙度，并使得加工精度得不到保證；最后，車削半徑及其變化率會隨工件轉角不同而發生很大變化，按照一般車削加工那樣保持主軸轉速的恒定，則切削線速度大小與加速度變化將非常大，被加工工件表面易形成波紋和燒傷。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種擺動式變傾角非圓切削機構及其數控車床，其中通過對非圓切削機構的關鍵結構及驅動方式進行設計，能夠增加刀具在垂直平面內擺動的自由度，使刀具傾角可在一定范圍內變化，進而通過調節刀具傾角來有效補償由非圓輪廓引起的切削角變化，同時具備結構緊湊、響應頻率高、可實現高速精密加工等特點。

按照本發明的一個方面，提供了一種擺動式變傾角非圓切削機構，該機構包括底板、直線電機、進給托板、扇形音圈電機和刀架，其特征在于：

所述直線電機由水平互聯的直線電機定子和直線電機動子共同組成，并經由沿著豎直方向設置在所述底板一側的直線電機定子法蘭而安裝在底板的上側；

所述進給托板呈水平布置并經由直線電機動子法蘭與所述直線電機動子相連，由此在直線電機驅動下可沿著X軸方向直線往復運動；

所述刀架的一側可樞軸轉動地安裝在U型支撐架上，另外一側與扇形音圈電機固連，并且該U型支撐架和扇形音圈電機均固定安裝在所述進給托板的上表面，以此方式當進給托板沿著X軸方向直線往復運動時，刀架上所配套的刀具用于對工件插補非圓截面輪廓，同時刀架在所述扇形音圈電機的驅動下對刀具的切削傾角進行調整，以使其保持與工件表面相垂直。

作為進一步優選地，所述刀具的附近設置有用于對刀具的切削傾角執行實時監測的編碼器，由此根據監測結果來對刀具的切削傾角相應予以調整。

作為進一步優選地，所述進給托板還配備有直線導軌和限位組件，其中該直線導軌設置在底板上，用于引導進給托板的直線往復運動；所述限位組件包括限位開關和限位擋塊，并用于確定進給托板的進給行程。