专利名称：振动攻丝机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种振动攻丝机，特别涉及一种适用于航空、航天、工具制造等领域中，难加工材料的精密振动攻丝的通用型数字控制振动攻丝机。
背景技术：
科学技术的进步促进了新、难加工材料的应用，在难加工材料上加工小深孔内螺纹是生产中的难题，而且螺纹加工一般安排在零件加工的最后几道工序，用传统方法在难加工材料上攻丝，极易引起丝锥折断，造成零件报废，从而延误工期并造成很大的经济损失。因此，解决难加工材料小深孔螺纹的加工是当务之急。
振动攻丝工艺源于日本，是指在刀具或工件上附加一个有规律的振动，使传统攻丝方法的连续切削过程变成间断、瞬间和重复的脉动切削过程，以达到降低攻丝扭矩、提高刀具寿命和提高螺纹精度的目的。目前，振动攻丝的振源，公认的主要有机械结构、步进电机和超声变幅杆等形式。现有振动攻丝机主要是机械振动式、超声波变幅杆式和步进电机激振式攻丝机。机械式振动攻丝机，振幅调整一般通过调整偏心或安装角的大小来实现，操作困难、调整范围窄，这在一定程度上限制了它的应用；超声波变幅杆式系统尽管具有较高的振动频率，但振幅小，系统的稳定性和可靠性差，尤其是攻丝刀具装夹困难，严重阻碍了它的实际应用；以步进电机为振源设计的攻丝系统具有一定的实用性和控制柔性，但步进电机转动惯量与扭矩的比值较大、起动频率低，致使此类系统存在着如下问题①攻丝效率低、难于实现大振幅、高频率等缺点，限制了该技术的推广应用；②攻丝主轴与电机轴间的传动环节存在着周向间隙，导致振动过程冲击和噪声大，使扭转振动的精度下降，不易实现精密攻丝；③攻丝主轴进给由螺纹靠模实现，攻不同直径和螺距的螺纹需要不同的靠模，限制了机床的通用性。
发明内容
本发明针对现有振动攻丝机存在的缺点，提出了一种适用于小深孔螺纹的攻丝，能够达到提高螺纹质量、提高攻丝效率，并能够解决航空航天以及工具行业中小深孔螺纹精密攻丝的振动攻丝机。
为了克服现有振动攻丝机参数调整范围窄、通用性差和攻丝效率低的不足，本发明基于伺服电机，提供了一种对攻丝材料和丝锥直径都通用的振动攻丝机，或通用的振动攻丝机床附件。它采用液晶显示，数字控制，具有振动攻丝参数调整灵活、方便，振动参数调整范围宽的特点，是一种高效高精度的通用振动攻丝装置，适于M1～M12的各种材料的精密攻丝加工，振动攻丝扭矩降为普通攻丝的1/5～1/3，用二级精度的丝锥可加工出一级精度的螺纹。
本发明的一种振动攻丝机，由单片机控制系统、安装在机械传动结构上的同步电机、以及由横梁、立柱、底座、平面滑动台组成的机架构成。机械传动结构安装在机架的横梁上，丝锥通过弹簧夹头安装在攻丝主轴上。单片机控制系统与同步电机之间连接有伺服控制器。所述的机械传动结构包括套筒支架固定在箱体上，同步电机安装在套筒支架上，套筒支架通过轴承和轴承支撑主轴套筒，电机主轴通过键和主轴套筒连接，带动主轴套筒转动，滚动直线导轨螺母安装在主轴套筒下端，靠键与主轴套筒连接，攻丝主轴靠滚珠与滚动直线导轨螺母连接，但轴向浮动，通常状态下，靠压缩弹簧抬起，使主轴缩在主轴套筒内，轴承安装在主轴的下端，通过轴承端盖承受由齿轮轴和齿条轴产生的轴向压紧力，迫使丝锥在开始攻丝时纫扣，在轴承端盖上装有拉杆，拉杆与轴承端盖一起由丝锥带动作轴向运动，靠安装在拉杆上的限位指示块与安装在箱体上的限位开关配合调整和指示主轴的轴向位置。
所述的振动攻丝机，通过单片机控制系统设置攻丝参数，由脉冲跟随方式实现电机运动的伺服控制，电机主轴通过主轴套筒、滚动直线导轨驱动攻丝工具作具有公转的扭转振动。
所述的振动攻丝机，在振源方面，采用性能优良的小惯量交流伺服电机，产生具有公进的扭转振动，振动频率在0～60Hz时，双振幅可以达到3～120度，实用平均转速0～60转/分，而且振幅的大小可以根据实际需要连续可调，电机输出功率为10KW以下。
所述的振动攻丝机，其激振单元采用伺服电机控制。
所述的振动攻丝机，丝锥通过滚动直线导轨机构，靠自导引作用实现攻丝过程的螺旋进给。
所述的振动攻丝机，采用单片机作为处理器，振动参数设置数字化，通过具有公转的扭转振动进行振动攻丝。
所述的振动攻丝机，其振动攻丝工艺参数优化的方法，采用基本工艺参数组法，将切削速度v、回退量LG(双振幅)、纯切削量LT作为基本参数，并组成一个组，重复切削次数Q由回退量LG和纯切削量LT决定Q=LGLT+1]]>可以用重复切削次数Q代替基本参数组中的回退量或纯切削量，从而组成多个参数组。
所述的振动攻丝机，其攻丝主轴采用轴向浮动方式，在常态下靠弹簧力抬起。
所述的振动攻丝机可做成专用振动攻丝机，也可以作为机床附件，作为机床附件时通过箱体左侧面的法兰盘与不同的机床支座相连接。
本发明的攻丝机可以高效、高精度的解决各种难加工材料的小深孔内螺纹攻丝加工，攻丝扭矩降为普通攻丝的1/5～1/3，加工效率为步进电机系统的3～5倍，丝锥寿命为普通攻丝的几十倍，装置设计简单、性能可靠。
图1是本发明组合结构示意图。
图2是本发明机械传动结构的剖面图。
图3是本发明滚动螺母的结构示意图。
图4是本发明攻丝主轴的结构图。
图中1.液晶显示器 2.单片机 3.伺服控制器 4.同步电机5.横梁 6.立柱 7.底座 8.平面滑动台 9.工件 10.丝锥11.锁紧螺母 12.机械传动结构 201.套筒支架 202.箱体203.轴承 204.键 205.齿条轴 206.主轴套筒 207.攻丝主轴208.定位销 209.齿轮轴 210.键 211.轴承 212.直线滚动导轨螺母 213.轴承端盖 214.轴承 216.螺母 217.拉杆218.止动螺钉 219.紧定螺钉 220.限位开关 221.端盖222.弹簧 223.紧定螺钉 224.限位指示块 225.防护面板226.端盖 227.轴承挡圈 228.螺栓具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
请参见图1、2所示，本发明的振动攻丝机，由底座7、平面滑动台8、立柱6、横梁5组成的机架，以及单片机控制系统、伺服控制器3、小惯量永磁同步电机4、机械传动结构12构成。通过单片机控制系统设置攻丝参数，由脉冲跟随方式实现电机主轴运动的伺服控制。电机4主轴通过主轴套筒206、滚动直线导轨驱动攻丝工具作具有公转的扭转振动。利用这种振动实现大振幅、高效率精密振动攻丝。机械传动结构12如图2，套筒支架201固定在箱体202上，同步电机4安装在套筒支架201上，套筒支架201通过轴承203和轴承211支撑主轴套筒206，电机4主轴通过键204和主轴套筒206连接，带动主轴套筒206转动，滚动直线导轨螺母212安装在主轴套筒206下端，靠键210与主轴套筒206连接，攻丝主轴207靠滚珠与滚动直线导轨螺母212连接，但轴向浮动，通常状态下，靠压缩弹簧222抬起，使主轴207缩在主轴套筒206内，轴承214安装在主轴207的下端，通过轴承端盖213承受由齿轮轴209和齿条轴205产生的轴向压紧力，迫使丝锥10在开始攻丝时纫扣，在轴承端盖213上装有拉杆217，拉杆217与轴承端盖213一起由丝锥10带动作轴向运动，靠安装在拉杆217上的限位指示块224与安装在箱体202上的限位开关220配合调整和指示主轴207的轴向位置。
在本发明中，该装置实现振动攻丝，其操作过程可以描述为通过键盘输入振动攻丝的切削速度、振幅和每振动周期的净切削量参数，经过单片计算机将其转换为伺服电机的驱动参数，将伺服参数传递给伺服放大器，驱动伺服电机作具有公转的扭转振动(如图1所示)。电机4轴直接带动主轴套筒206作具有公转的扭转振动，主轴套筒206通过键210连接驱动滚动直线导轨螺母212振动，导轨螺母212带动攻丝主轴207作具有公转的扭转振动。振动攻丝时，用手柄压紧攻丝主轴207，使丝锥攻进1～2扣后，将手松开，由丝锥10进行自导引进给，为了提高振动攻丝的效果，在攻丝进行时，一般用刷子在丝锥10上浇蓖麻油。攻丝的深度由限位开关220与面板上的刻度尺配合设定。当到达深度时，限位指示块224使限位开关220闭合，产生中断申请，单片机响应中断申请，提供中断服务，发出信号给伺服控制器，使电机4主轴作与攻丝进给方向相反的连续转动，使丝锥10退出工件。电机4反转20转后，自动停止。退出孔口的丝锥10在弹簧222的弹力作用下，与攻丝主轴207一起抬起，远离工件表面，攻丝过程结束。在攻丝进行时，还可实时采样电机的驱动电流，通过液晶显示器1进行最大扭矩显示，从而直观地监测丝锥10的切削及磨损状态。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是在振源方面，采用性能优良的小惯量交流同步电机，产生具有公进的扭转振动。振动频率在0～60Hz时，双振幅可以达到3～120度，实用平均转速0～60转/分。而且振幅的大小可以根据实际需要连续可调。
机械结构上，采用电机主轴4直接驱动攻丝主轴207，目的是减小传动间隙，减少传动系统的变形，增加攻丝主轴207的刚度，减少冲击噪声。
本发明的攻丝主轴套筒206可以采用两端支承方式，减小了零件制造不同心而产生的跳动，使攻丝主轴207能够容易的调整精度，一般调整为圆柱度为0.01～0.05mm时，就可满足大部分精密螺纹的加工要求。
本发明的攻丝主轴207可以采用轴向浮动方式，主轴的轴向运动采用直线滚动导轨，使主轴在承受攻丝扭矩的情况下，也能够自由的轴向移动。另外，为了减少了攻丝主轴207自身的重量，采用攻丝主轴207与传递扭矩的主轴套筒206分开的结构形式，减小了丝锥10对工件螺纹牙的轴向冲击，有利于提高螺纹质量。
采用自导引形式，省掉了螺纹导套，采用丝锥子导引形式进给，增加了机床的通用性，使之能够适合M1～M12各螺纹的精密攻丝，并使机械结构简单，易于制造和维护。
为使操作简单，使丝锥很容易的纫扣，采用齿轮齿条压紧结构，将轴向压力通过法兰盘传递给攻丝主轴207，法兰盘与攻丝主轴207采用角接触轴承连接，减小了攻丝主轴207的转动惯量，使攻丝主轴207正反转更灵活，提高了振动攻丝的频率。
本发明既可做成专用振动攻丝机，也可以作为机床附件，通过箱体202左侧面的法兰盘，与不同的机床支座相连接，从而使其适于较大和较小零件上的螺孔攻丝，满足用户个性化的要求。
将工件装在平面滑动台8上，减少了主轴不同心误差，同时，可以减少工件的装夹时间。
控制系统方面，采用51系列的单片机Aduc812为CPU，用脉冲跟随模式实现具有公进的扭转振动。显示单元采用液晶模块，按键为专用薄膜键盘。在程序设计上，采用状态转移法的思想设计，将状态分为保存参数、设置参数、提取参数、连续正转、振动加工和连续反转六种状态。将参数设置和加工状态分开，减小了误操作的产生。
控制系统的功能按输入的瞬时切削速度、振幅和净切削量，使攻丝主轴207产生具有公进的扭转振动；具有断电保存功能，通过CPU内部的记忆单元，可将设计好的攻丝参数进行保存，关掉电源后，参数不丢失。本发明可以保存10组振动参数；急停功能，当出现意外时，可按“急停”按钮急停；攻丝深度检测功能，与机械部分的行程开关配合，无论是右旋螺纹，还是左旋螺纹，当到达设定的攻丝深度时，攻丝主轴207可以自己反转，使丝锥10按设定转速退出；具有数据采集功能，通过采样电机的电流，达到扭矩在线监测目的。
振动攻丝工艺参数优化的方法，采用基本工艺参数组法，将切削速度v、回退量LG(双振幅)、纯切削量LT作为基本参数，并组成一个组。重复切削次数Q由回退量LG和纯切削量LT决定Q=LGLT+1]]>因此，可以用重复切削次数Q代替基本参数组中的回退量或纯切削量，从而组成多个参数组。在进行参数优化时，根据丝锥厚刀面的长度首先确定纯切削量，然后根据工件材料的性质确定重复切削次数或回退量的值，由系统的特性和回退量的值确定切削速度。
本发明的振动攻丝机，可以高效、高精度的解决各种难加工材料的小深孔内螺纹攻丝加工；攻丝扭矩降为普通攻丝的1/5～1/3；加工效率为步进电机系统的3～5倍；丝锥寿命为普通攻丝的几十倍；装置简单、性能可靠。
权利要求
1.一种振动攻丝机，由单片机控制系统、安装在机械传动结构上的同步电机、以及由横梁、立柱、底座、平面滑动台组成的机架构成，机械传动结构安装在机架的横梁上，丝锥通过弹簧夹头安装在攻丝主轴上，其特征在于单片机控制系统与同步电机(4)之间连接有伺服控制器(3)，所述的机械传动结构(12)包括套筒支架(201)固定在箱体(202)上，同步电机(4)安装在套筒支架(201)上，套筒支架(201)通过轴承(203)和轴承(211)支撑主轴套筒(206)，电机(4)主轴通过键(204)和主轴套筒(206)连接，带动主轴套筒(206)转动，滚动直线导轨螺母(212)安装在主轴套筒(206)下端，靠键(210)与主轴套筒(206)连接，攻丝主轴(207)靠滚珠与滚动直线导轨螺母(212)连接，但轴向浮动，通常状态下，靠压缩弹簧(222)抬起，使主轴(207)缩在主轴套筒(206)内，轴承(214)安装在主轴(207)的下端，通过轴承端盖(213)承受由齿轮轴(209)和齿条轴(205)产生的轴向压紧力，迫使丝锥(10)在开始攻丝时纫扣，在轴承端盖(213)上装有拉杆(217)，拉杆(217)与轴承端盖(213)一起由丝锥(10)带动作轴向运动，靠安装在拉杆(217)上的限位指示块(224)与安装在箱体(202)上的限位开关(220)配合调整和指示主轴(207)的轴向位置。
2.根据权利要求1所述的振动攻丝机，其特征是通过单片机控制系统设置攻丝参数，由脉冲跟随方式买现电机(4)运动的伺服控制，电机(4)主轴通过主轴套筒(206)、滚动直线导轨驱动攻丝工具作具有公转的扭转振动。
3.根据权利要求1所述的振动攻丝机，其特征是在振源方面，采用性能优良的小惯量交流伺服电机，产生具有公进的扭转振动，振动频率在0～60Hz时，双振幅可以达到3～120度，实用平均转速0～60转/分，而且振幅的大小可以根据实际需要连续可调，电机输出功率为10KW以下。
4.根据权利要求1所述的振动攻丝机，其特征是激振单元采用伺服电机控制。
5.根据权利要求1所述的振动攻丝机，其特征是丝锥通过滚动直线导轨机构，靠自导引作用实现攻丝过程的螺旋进给。
6.根据权利要求1所述的振动攻丝机，其特征是采用单片机作为处理器，振动参数设置数字化，通过具有公转的扭转振动进行振动攻丝。
7.根据权利要求1所述的振动攻丝机，其特征是适于M1～M12的各种材料的精密攻丝加工，振动攻丝扭矩降为普通攻丝的1/5～1/3，用二级精度的丝锥可加工出一级精度的螺纹。
8.根据权利要求1所述的振动攻丝机，其特征是振动攻丝工艺参数优化的方法，采用基本工艺参数组法，将切削速度v、回退量LG(双振幅)、纯切削量LT作为基本参数，并组成一个组，重复切削次数Q由回退量LG和纯切削量LT决定Q=LGLT+1]]>可以用重复切削次数Q代替基本参数组中的回退量或纯切削量，从而组成多个参数组。
9.根据权利要求1所述的振动攻丝机，其特征是攻丝主轴(207)采用轴向浮动方式，在常态下靠弹簧力抬起。
10.根据权利要求1所述的振动攻丝机，其特征是可做成专用振动攻丝机，也可以作为机床附件，通过箱体(202)左侧面的法兰盘，与不同的机床支座相连接。
全文摘要
本发明公开了一种振动攻丝机，由单片机控制系统、安装在机械传动结构上的同步电机、以及由横梁、立柱、底座、平面滑动台组成的机架等构成。机械传动结构安装在机架的横梁上，丝锥通过弹簧夹头安装在攻丝主轴上，其振源采用小惯量伺服电机，通过单片机系统进行控制和监测。结构上采用主轴直接驱动方式，通过两端支承在滚动轴承上的主轴套筒和滚动直线导轨螺母，驱动攻丝主轴作具有公转的扭转振动，由丝锥自导引，实现振动攻丝。手动压紧装置用于丝锥纫扣时进给。该攻丝机的优点是振动参数数字化控制，能够实现大振幅和较高的振动频率；高效、高精度的在普通材料和难加工材料上，攻制出牙型规则的精密螺纹。
文档编号B23Q15/00GK1418748SQ0215869
公开日2003年5月21日 申请日期2002年12月26日 优先权日2002年12月26日
发明者张德远, 陈志同, 李光军 申请人:北京航空航天大学