[發明專利]一種利用環狀可拆分工具加工工件內表面的方法和裝置

有效

• 申請號: 201310540971.0
• 申請日: 2013-11-05
• 公開（公告）號: CN103600128A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發明（設計）人: 陳志同
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B23F17/00
• 分類號: B23F17/00;B23F23/00
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種利用環狀可拆分工具加工工件內表面的方法，其特征在于：該方法包括如下步驟：

步驟一：依據待加工的盤形工件內表面的形狀，按照成形法或展成法設計環狀工具或砂輪的工作面的母線形狀；當采用成形法加工時，該形狀與被加工內曲線一致，當采用展成法加工時，其母線是任意的和被加工表面構成共軛運動關系的曲線；

步驟二：將環狀工具設計成對開式結構、扇形結構，或C形開口結構之一；其中對開結構是將環狀工具分成基本對稱但在結合面處具有斜面或其它結構表面的兩半部分，二者能分開和合并，容許工件與工具形成相互穿越的雙環結構；其中的扇形結構是將工具分解成具有搭接部位可通過螺釘銷釘連接成一個整體的方式；其中的C形結構是將工具開一個缺口，容許工件從缺口中進入的相互貫穿結構；前兩種在軸承的約束下都具有完整的封閉構形，因此能采用單點驅動，第三種方式即C型方式中工具不完整，因此需要采用兩點以上的驅動點來保證運動的連續性；

步驟三：設計一種能實現環狀工具和工件相互穿越的環狀工具驅動動力頭；

環狀工具上部（306）通過左、右軸承（319）、（320）支撐于由件（305）、（307）、（315）、（317）組成的動力頭上部殼體中，環狀工具下部（303）通過左、右軸承（319）、（320）的下部滾動體支撐于由件（301）、（302）、（325）、（326）組成的動力頭下部殼體中,上下兩部分殼體通過一對定位銷（311）來確定其連接狀態的相對位置關系，動力頭上下部分各自殼體通過殼體連接螺釘（328）連接在一起，左、右導向板（324）、（327）通過滑板螺釘（323）連接于動力頭開合單元（6）的工作臺面上，用于控制動力頭下部開合時能具有確定的運動位置和軌跡；環狀工具主軸電機（314）通過齒形帶傳動系統（313）、（334）、（333）、（332）、（331）和齒輪傳動系統（330）、（329）、（321）、（322）驅動環狀工具的內齒輪使其做連續的速度可控的旋轉運動；

步驟四：設計一種驅動被加工內齒輪做位置和速度可控運動的工件旋轉運動單元；其殼體底座（401）和殼體蓋板（402）形成的密閉空間內安裝有一對主動齒輪（406）和工件托盤齒輪（408），其中主動齒輪（406）安裝于伺服電機（407）的端部，工件托盤齒輪（408）支撐于軸承（403）之上，工件托盤齒輪（408）的內部正好與被加工齒輪的外直徑相同或與用于將工件齒輪安裝在工件托盤齒輪（408）內的夾具的外徑相同，被加工工件齒輪（404）用工件壓板組（405）固定在工件托盤齒輪（408）之上并確保該位置的穩定性；

步驟五：設計一種具有4個自由度的內表面加工機床；該機床包含一個垂直進給運動單元（2）、環狀工具驅動動力頭（3）、工件旋轉運動單元（4）、工件水平進給運動單元（5）、動力頭開合單元（6）、動力頭擺動運動單元（7）和一個用于支撐和連接以上各部分的機床底座（0）和機床立柱（1）；其中環狀工具驅動動力頭（3）用于驅動工具旋轉，工件旋轉運動單元（4）用于驅動工件按照給定運動規律做旋轉運動或分度運動，動力頭擺動運動單元（7）用于控制工具和工件之間的夾角，垂直進給運動單元（2）用于在加工直齒內表面時使工具一邊旋轉一邊做沿工件軸線方向的進給運動，工件水平進給運動單元（5）用實現徑向進給以控制內曲線的徑向位置和形狀；上述4個運動通過程序控制進行適當調整，因此該方法能用于加工直齒內齒輪、斜齒內齒輪、齒形修形加工和其它內曲線加工；其要點在于動力頭開合單元（6）用于控制環狀工具動力頭（3）的上下兩部分適時開合，即在安裝和拆卸工件時蝸桿工具保持分開狀態，在加工齒輪時環狀工具保持閉合狀態。

2.一種利用環狀可拆分工具加工工件內表面的裝置，其特征在于：該裝置由機床立柱（1）、機床底座（0）組成機床床身，機床床身上連接有垂直進給運動單元（2），環狀工具驅動動力頭（3）,工件旋轉運動單元（4）,工件水平進給運動單元（5）,動力頭開合單元（6）和動力頭擺動運動單元（7）；

該機床立柱（1）、機床底座（0）是采用鑄造或焊接工藝制作的箱式金屬結構件；

該垂直進給運動單元（2）由垂直進給電機（21）、垂直進給聯軸節（22）、垂直進給前軸承座組件（23）、垂直進給螺母（24）、垂直進給螺母座（25）、垂直進給絲杠（26）、垂直進給后軸承座組件（27）、直線導軌（28）、垂直進給工作臺（29）組成；垂直進給絲杠（26）支撐于垂直進給前軸承座組件（23）、垂直進給后軸承座組件（27）上，垂直進給電機（21）的殼體固定于垂直進給前軸承座組件（23）的殼體上、其輸出軸通過垂直進給聯軸節（22）與垂直進給絲杠（26）連接，垂直進給螺母（24）支撐于垂直進給螺母座（25）上，后者固定于垂直進給工作臺（29）一側；工作時，垂直進給電機（21）通過垂直進給聯軸節（22）驅動垂直進給絲杠（26）旋轉，垂直進給絲杠（26）帶動垂直進給螺母（24）上下運動，最終通過垂直進給螺母座（25）帶動垂直進給工作臺（29）上下運動；

該工件水平進給運動單元（5）由水平進給電機（51）、水平進給聯軸節（52）、水平進給前軸承座組件（53）、水平進給螺母（54）、水平進給螺母座（55）、水平進給絲杠（56）、水平進給后軸承座組件（57）、直線導軌（58）、水平進給工作臺（59）組成；水平進給絲杠（56）支撐于水平進給前軸承座組件（53）、水平進給后軸承座組件（57）上，水平進給電機（51）的殼體固定于水平進給前軸承座組件（53）的殼體上、其輸出軸通過水平進給聯軸節（52）與水平進給絲杠（56）連接，水平進給螺母（54）支撐于水平進給螺母座（55）上，后者固定于水平進給工作臺（59）一側；工作時，水平進給電機（51）通過水平進給聯軸節（52）驅動水平進給絲杠（56）旋轉，水平進給絲杠（56）帶動水平進給螺母（54）左右運動，最終通過水平進給螺母座（55）帶動水平進給工作臺（59）左右運動；

在垂直進給運動單元的工作臺（29）上安裝有一動力頭擺動運動單元（7），它主要由一個力矩電機組成，也能采用蝸輪蝸桿結構或其它類型的轉臺，其功能是帶動環狀工具驅動動力頭（3）做擺動運動或調整獲得環狀工具和工件之間的夾角，因此其運動為聯動運動的一部分，在只做調整運動的場合，該單元的結構采用人工或其它簡單調整方式；

該環狀工具驅動動力頭（3），其環狀工具上部（306）通過左、右軸承（319）、（320）支撐于由件（305）、（307）、（315）、（317）組成的動力頭上部殼體中，環狀工具下部（303）通過左、右軸承（319）、（320）的下部滾動體支撐于由件（301）、（302）、（325）、（326）組成的動力頭下部殼體中,上下兩部分殼體通過一對定位銷（311）來確定其連接狀態的相對位置關系，動力頭上下部分各自殼體通過殼體連接螺釘（328）連接在一起，左、右導向板（324）、（327）通過滑板螺釘（323）連接于動力頭開合單元（6）的工作臺面上，用于控制動力頭下部開合時能具有確定的運動位置和軌跡；環狀工具主軸電機（314）通過齒形帶傳動系統（313）、（334）、（333）、（332）、（331）和齒輪傳動系統（330）、（329）、（321）、（322）驅動蝸桿工具的內齒輪使其做連續的位置速度可控的旋轉運動；

該工件旋轉運動單元（4），其殼體底座（401）和殼體蓋板（402）形成的密閉空間內安裝有一對主動齒輪（406）和工件托盤齒輪（408），其中主動（406）安裝于伺服電機（407）的端部，工件托盤齒輪（408）支撐于軸承（403）之上，工件托盤齒輪（408）的內部正好與被加工齒輪的外直徑相同或與用于將工件齒輪安裝在工件托盤齒輪（408）內的夾具的外徑相同，被加工工件齒輪（404）用工件壓板組（405）固定在工件托盤齒輪齒輪（408）之上并確保該位置的穩定性；該單元的殼體連接于工件水平進給運動單元（5）的水平進給工作臺（59）之上，隨該工作臺做左右方向的水平進給運動和快進快退運動；

該動力頭開合單元（6）由氣缸（61）、環狀工具驅動動力頭（3）中的定位銷311、用于固定和放松左、右軸承（319）、（320）的滾動體壓緊機構（335）-（340）以及左、右導向板（324）、（327）組成；安裝和拆卸工件時，活塞（336）、氣缸活塞（340）通過滾珠壓板（335）、（338）壓住左、右軸承（319）、（320）的靠近開口處的滾動體，氣缸（61）再驅動環狀工具驅動動力頭（3）的下部分向下運動，此時環狀工具（303）、（306）下、上部隨同其支撐軸承和殼體分開為下、上兩部分，被加工工件齒輪（404）隨同工件旋轉運動單元（4）進入環狀工具驅動動力頭（3）內部，此后氣缸（61）推動環狀工具驅動動力頭下部在左、右導向板（324）、（327）的約束下向上運動，并通過定位銷（311）使上下兩部分回歸并保持正確的位置關系，此時放開活塞（336）、氣缸活塞（340）使軸承滾動體處于自由運動狀態；此時環狀工具主軸電機（314）通過傳動系統驅動環狀工具下、上部（303）、（306）做連續旋轉運動；當采用滾動軸承時，環狀工具在雙面半圈滾道的約束下只能具有一個旋轉運動自由度，因此此時兩半環狀工具并不一定要通過螺釘銷釘連接在一起，但當將左、右軸承（319）、（320）換成滑動軸承后，如間隙太大則需要將其兩半連接成一體。