卧式车削机床及加工小曲率曲面的方法
【专利摘要】一种卧式车削机床及加工小曲率曲面的方法，所述卧式车削机床包括床身、电控系统、气液压传动系统、冷却装置，所述床身上安装有最大加速度不小于两倍重力加速度值的横向进给轴，所述横向进给轴上安装有加工刀具，所述床身上安装有主轴组件，所述主轴组件包括最小转速不大于100转/分钟的回转主轴，所述回转主轴的轴向垂直于所述横向进给轴的运动方向，所述回转主轴上安装有用于固定待加工小曲率曲面零件的工件夹具；所述加工方法根据理论计算及控制，利用所述卧式车削机床，联动控制回转主轴与横向进给轴的运动。这种卧式车削机床及加工小曲率曲面的方法通过回转主轴与横向进给轴的联动，利用合理的加工方法，实现了小曲率曲面的车削加工。
【专利说明】
卧式车削机床及加工小曲率曲面的方法
技术领域
[0001] 本发明属于机械加工装备领域，具体来说，是一种卧式车削机床与加工小曲率曲 面的方法。
【背景技术】
[0002] 在现代加工技术中，车削和铣削是最为常见的加工方式。车削加工中，刀具与零件 为线接触，加工效率高，表面光洁度好，但限于固有结构与工艺，只能加工横截面为圆的规 则零件，无法实现具有小曲率曲面零件的加工。铣削加工结构上具有三轴联动的特点，能够 实现曲面加工，但刀具与零件是点接触，加工效率低，表面光洁度往往也不高，而且刀具和 机床结构都较为复杂，成本很高。在小曲率曲面零件的加工中，加工效果和经济性的矛盾十 分突出。
【发明内容】
[0003] 为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种卧式车削机床及加工小曲率曲面的 方法，解决了小曲率曲面的加工难题，实现了小曲率曲面的车削加工。
[0004] 本发明的目的通过以下技术方案来实现：
[0005] -种卧式车削机床，包括床身、电控系统、气液压传动系统、冷却装置，其特征在 于，所述床身上安装有能够实现直线往复运动的横向进给轴，所述横向进给轴上安装有水 平布置的加工刀具，所述床身上安装有主轴组件，所述主轴组件包括能够实现圆周运动的 回转主轴，所述回转主轴的轴向垂直于所述横向进给轴的运动方向，所述回转主轴的最小 转速不大于100转/分钟，所述横向进给轴的最大加速度不小于两倍重力加速度值，所述回 转主轴上安装有用于固定待加工小曲率曲面零件的工件夹具。
[0006] 作为上述技术方案的改进，所述床身上还安装有能够实现直线往复运动的纵向进 给轴，所述纵向进给轴位于所述横向进给轴下方，所述纵向进给轴与所述横向进给轴成90° 水平布置。
[0007] 作为上述技术方案的进一步改进，所述横向进给轴包括安装于所述纵向进给轴上 的直线滑轨与平板磁轨，所述直线滑轨关于所述平板磁轨对称布置，所述直线滑轨上安装 有横向滑板，所述横向滑板下表面安装有电机动子。
[0008] 作为上述技术方案的进一步改进，所述回转主轴连接有驱动电机，所述驱动电机 为伺服电机。
[0009] 作为上述技术方案的进一步改进，所述床身由花岗岩或铸铁制成。
[0010] 作为上述技术方案的进一步改进，所述工件夹具包括主轴夹盘与可拆卸夹具。
[0011] 作为上述技术方案的进一步改进，所述可拆卸夹具具有圆柱体外形且圆柱面上沿 圆周方向均匀分布有工件固定位置，所述工件固定位置安装有所述待加工小曲率曲面零 件。
[0012] 作为上述技术方案的进一步改进，所述横向进给轴上安装有位置反馈装置。
[0013] 作为上述技术方案的进一步改进，所述加工小曲率曲面的卧式车削机床上设有全 封闭机罩，所述全封闭机罩上设有透明移动门。
[0014] -种所述卧式车削机床加工小曲率曲面的方法，具体实施步骤如下：
[0015] -、设定所述回转主轴为C轴，所述横向进给轴为X轴，以X轴与C轴的中心轴交点0 为极点、X轴为极轴建立〇 _χ平面极坐标系；
[0016] 二、输入待加工小曲率曲面零件的曲面立体图，对曲面的加工路径进行规划，得到 曲面的布置方式；
[0017] 三、根据理论计算得到小曲率曲面之横断面在0-X平面极坐标系中的轨迹曲线；
[0018] 四、根据工况拟合计算，确定C轴的转速与X轴的进给运动速度；
[0019] 五、将所述待加工小曲率曲面零件装夹于所述可拆卸夹具上，将所述可拆卸夹具 快速装夹于所述主轴夹盘上；
[0020] 六、联动控制C轴的转速与刀具的进给速度，完成加工。
[0021] 本发明提供的卧式车削机床及加工小曲率曲面的方法，通过对车削机床在硬件上 的改进以及在控制方法上的结合，实现对C-X轴的联动控制，满足具有小曲率曲面外形的零 件加工，具有结构简单、经济性好、效率快、效果好的特点。
[0022] 为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合 所附附图，作详细说明如下。
【附图说明】
[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附 图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对 范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这 些附图获得其他相关的附图。
[0024] 图1是本发明卧式车削机床的整体外观图；
[0025] 图2是本发明卧式车削机床的俯视图；
[0026] 图3是图2中卧式车削机床的A-A剖视图；
[0027] 图4是图3中卧式车削机床的C局部放大图；
[0028] 图5是图3中卧式车削机床的D局部放大图；
[0029] 图6是图2中卧式车削机床的Μ向视图；
[0030] 图7是图2中卧式车削机床的Β-Β剖视图；
[0031 ]图8是本发明卧式车削机床的机罩示意图；
[0032] 图9是本发明卧式车削机床加工小曲率曲面的方法的流程框图；
[0033] 图10是本发明卧式车削机床加工小曲率曲面的加工示意图；
[0034] 图11是本发明卧式车削机床加工小曲率曲面的实施例1的加工轨迹图。
[0035]主要元件符号说明：
[0036] 100-卧式车削机床，1-床身，2-纵向进给轴，21-纵向滚珠丝杠，22-纵向直线滑轨， 23-纵向前固定侧，231-纵向前固定座，232-纵向前固定侧轴承，233-纵向前轴承端盖，234-纵向前锁固螺帽，24-纵向后固定侧，241-纵向后固定座，242-纵向后固定侧轴承，243-纵向 后轴承端盖，244-纵向后锁固螺帽，25-纵向驱动电机，26-联轴器，27-纵向运动底板，3-横 向进给轴，31-平面磁轨，32-横向直线滑轨，33-横向运动底板，34-电机动子，35-旋转刀盘， 36-成形车刀，4-主轴组件，41-主轴底座，42-回转主轴固定座，43-回转主轴，44-主轴电机， 45-主轴夹盘，46-可拆卸夹具，47-零件，48-双动气缸，49-尾座，5-全封闭机罩，51-透明玻 璃自动门。
【具体实施方式】
[0037]为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对卧式车削机床及加工小曲率曲面的 方法进行更全面的描述。附图中给出了卧式车削机床及加工小曲率曲面的方法的优选实施 例。但是，卧式车削机床及加工小曲率曲面的方法可以通过许多不同的形式来实现，并不限 于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对卧式车削机床及加工小曲 率曲面的方法的公开内容更加透彻全面。
[0038]需要说明的是，当元件被称为"固定于"另一个元件，它可以直接在另一个元件上 或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是"连接"另一个元件，它可以是直接连接 到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作"直接在"另一元件"上"时， 不存在中间元件。本文所使用的术语"垂直的"、"水平的"、"左"、"右"以及类似的表述只是 为了说明的目的。
[0039]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的 技术人员通常理解的含义相同。本文中在卧式车削机床与加工小曲率曲面的方法的说明书 中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的 术语"及/或"包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0040] 实施例1
[0041 ]参照图1，卧式车削机床（以下简称"车床"）100包括床身1、电控系统、气液压控制 系统、冷却装置、尾座。床身1上安装有纵向进给轴2、主轴组件4和横向进给轴3。纵向进给轴 2位于横向进给轴3下方，纵向进给轴2与横向进给轴3成90°水平布置。
[0042]参照图2,纵向进给轴2包括安装于床身1上的纵向滚珠丝杠21和纵向直线滑轨22。 [0043] 参照图3,纵向滚珠丝杠21以两端固定的方式安装于纵向前固定侧23与纵向后固 定侧24之间。
[0044] 参照图4，纵向前固定侧23包括以螺纹连接固定于床身1上的纵向前固定座231，纵 向前固定座231前后壁分别设有与纵向直线滑轨22同轴的纵向前固定轴承孔与纵向驱动电 机轴孔，纵向前固定轴承孔内安装有纵向前固定侧轴承232,纵向前固定侧轴承232套装于 纵向滚珠丝杠21之轴端。优选地，纵向前固定侧轴承232为三联角接触球轴承。纵向前固定 座231上安装有纵向前轴承端盖233,纵向前轴承端盖233套装于纵向滚珠丝杠21上。纵向前 轴承端盖233外侧安装有纵向前锁固螺帽234,纵向前锁固螺帽234上通过紧定螺钉锁固于 纵向滚珠丝杠21上。纵向前固定座231后壁之外表面安装有驱动纵向滚珠丝杠21转动的纵 向驱动电机25,纵向驱动电机25之输出轴穿过纵向驱动电机轴孔并通过联轴器26与纵向滚 珠丝杠21之轴端连接。
[0045] 参照图5，纵向后固定侧24包括以螺纹连接固定于床身1上的纵向后固定座241，纵 向后固定座241上设有与纵向滚珠丝杠21同轴的纵向后固定轴承孔，纵向支撑轴承孔内安 装有纵向后固定侧轴承242,纵向后固定侧轴承242套装于纵向滚珠丝杠21之另侧轴端。优 选地，纵向后固定侧轴承为双列角接触球轴承。纵向后固定座241上安装有纵向后轴承端盖 243,纵向后轴承端盖243套装于纵向滚珠丝杠21上。纵向后轴承端盖243外侧安装有纵向后 锁固螺帽244,纵向后锁固螺帽244通过紧定螺钉锁固于纵向滚珠丝杠21上。
[0046] 纵向直线滑轨22关于纵向滚珠丝杠21对称布置，纵向运动底板27锁固于纵向直线 滑轨22的滑块与纵向滚珠丝杠21的丝杠螺母上，纵向运动底板27可沿纵向直线滑轨22做往 复直线运动。
[0047] 参照图3,纵向运动底板27上安装有横向进给轴3,包括安装于纵向运动底板27上 的平面磁轨31与横向直线滑轨32,平面磁轨31平行于横向直线滑轨32,横向直线滑轨32与 纵向直线滑轨22垂直。
[0048]横向直线滑轨32关于平面磁轨31对称布置，通过滑块与横向运动底板33连接。横 向运动底板33下表面安装有电机动子34,在平面磁轨的驱动下，电机动子34带动横向运动 底板33做直线往复运动，且最大加速度不小于两倍重力加速度值。
[0049] 为了提供控制精度，横向进给轴3上设置有位置反馈装置，优选地，其形式为封闭 式光栅尺定位装置。封闭式光栅尺定位装置由安装于纵向运动底板27上的光栅尺与安装于 横向运动底板33上的光栅尺读数头组成。运动时，封闭式光栅尺定位装置能够精确地读取 位移数据，对电机进行反馈控制。
[0050] 参照图6,横向运动底板33上安装有旋转刀盘35,旋转刀盘35上安装有若干成形车 刀36。旋转刀盘35可在水平面内旋转，完成换刀。
[00511参照图7,主轴组件4包括安装于床身上的主轴底座41，主轴底座41上安装有回转 主轴固定座42,回转主轴固定座42上安装有回转主轴43,回转主轴43的轴向与纵向进给轴2 的运动方向平行。
[0052]回转主轴43输入端连接有驱动回转主轴43自旋的主轴电机44，优选地，主轴电机 44为低转速高扭矩的伺服电机。在主轴电机44驱动下，回转主轴43的最小转速不大于100 转/分钟。
[0053]在另一个实施例中，回转主轴43与主轴电机44之间还存在减速机构，使回转主轴 43的最小转速不大于100转/分钟。
[0054]回转主轴43输出端连接有主轴夹盘45,主轴夹盘45上安装有圆柱形的可拆卸夹具 46,可拆卸夹具46外表面上均匀分布有多个零件47,分布角度根据零件47的曲面计算确定。 [0055]回转主轴固定座42上还安装有双动气缸48,双动气缸48的活塞杆端连接有尾座 49，尾座49上设有夹盘和顶针。
[0056]车床100选择花岗岩或大理石作为床身1的材料。在另一个实施例中，床身1还可以 由铸铁制成。
[0057]参照图8，车床100上还设有全封闭机罩5，机罩5上还设有透明玻璃自动门51，门上 设有感应开关，防止误夹造成人身伤害。机罩5既便于操作人员观察监控加工情况，又能隔 绝噪音与废肩，起到保护操作人员安全及保持环境干净的作用。
[0058] 一并参照图9、图10及图11，为车床100加工小曲率曲面的方法，具体实施步骤如 下：
[0059]设定回转主轴称为C轴，C轴的心轴称为Z轴，横向进给轴称为X轴。X轴与Z轴的交点 称为〇点，以〇点为极点、X轴为极轴，建立o-x平面极坐标系。
[0060] 在系统中输入需要待加工的小曲率曲面零件（以下简称"零件"）的立体图，根据零 件的曲面特征，规划零件的加工路径，据此决定零件的布置方式。
[0061] 以0-X平面截交零件的曲面S得到面内的投影曲线1。由于该零件加工面为小曲率 曲面，故1具有连续光滑的特征。li与X轴的交点记为点P，〇P的距离记为ρ，贝IJP点在o-x坐标 系中的坐标为(P，0)。类似地，在1上选取一点Ρι(ρι，θ)。
[0062] 假定Ρ点为加工起点，成形车刀36在Ρ点的进给速度为零。假定Pi为加工终点，成形 车刀36在P点的进给速度亦为零。根据工艺探索结果，本发明规定曲线段PPi的加工步骤为 先匀加速运动后匀减速运动。根据理论计算，可得到位置与角度方程：
[0063]
[0064] Θ =jint
[0065] 其中，η--C轴转速，
[0066] a--X轴加速度，
[0067] t--加工时间。
[0068]据此结合工况进行理论计算，可得出η与a的关系与确切值，从而对C轴与X轴进行 联动控制。
[0069] 根据规划的加工路径及加工位置，将零件快速装夹于可拆卸夹具上的正确位置， 再将可拆卸夹具快速安装于主轴夹盘上，控制车床1〇〇自行完成加工。
[0070] 以下以一个具体的加工案例作进一步说明。
[0071] 在本实施例中，加工前零件47的毛坯截面直径为300mm，宽为80mm。可见零件47近 似于长方体外形，根据其外形特征进行加工路径规划。为保证加工质量及效率，其长边应平 行于Z轴方向布置，且零件47在可拆卸夹具46圆柱面上间隔90°均匀布置。图中为零件47加 工前后截交0-X坐标系平面的曲线轮廓。
[0072] 加工后，可见零件47上的曲线1最高点半径为144mm，最低点半径为147mm，最小进 给量为3_。显然地，该处曲面由于具有小曲率的特点，偏离平面的程度不高，与圆周轨迹有 着显著的差异，该类曲面称为小曲率曲面，一般情况下车削加工无法完成该曲面的加工。 [0073]在车床100条件下，以0-X坐标系平面截交圆弧最高点P与最低ΑΡ:，得到此二点在 0-X极坐标系中相应坐标分别为（147,0)、（ 144,0.066)。
[0074]成形车刀36位于P点时，横向进给速度为零，根据理论计算，运动轨迹无限逼近于 抛物线。因此，成形车刀36进给过程为先匀加速运动后匀减速运动，初始和结束速度均为 零，得到位置与角度方程如下：
[0075]
[0076] 0.066 = πη?
[0077] 为保证车削力及加工表面光洁度，必须将切削线速度控制在合理范围内。根据理 论计算，得到最小切削线速度：
[0078] vc = jrnd= 100 米 / 分钟
[0079]式中，d-一切削点到0点的距离。
[0080] 代入以上两式计算可得：
[0081] t = 0.0124 秒
[0082] n = 106 转 / 分钟
[0083] a = 19 · 5米/秒2 ? 2g
[0084] 式中，g-一重力加速度。
[0085] 由此得到C轴的转速与X轴的横向进给速度。快速完成零件装夹，控制两轴联动，完 成零件曲面的加工。
[0086] 实际加工中，零件47在C轴做回转运动，横向进给轴3高速震荡进给，纵向进给轴根 据加工段移动。
[0087] 本发明不局限于上述优选实施方式，凡是以基本相同方式实现本发明目的的技术 方案均属于本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种卧式车削机床，包括床身、电控系统、气液压传动系统、冷却装置，其特征在于， 所述床身上安装有能够实现直线往复运动的横向进给轴，所述横向进给轴上安装有水平布 置的加工刀具，所述床身上安装有主轴组件，所述主轴组件包括能够实现圆周运动的回转 主轴，所述回转主轴的轴向垂直于所述横向进给轴的运动方向，所述回转主轴的最小转速 不大于100转/分钟，所述横向进给轴的最大加速度不小于两倍重力加速度值，所述回转主 轴上安装有用于固定待加工小曲率曲面零件的工件夹具。2. 根据权利要求1所述的一种卧式车削机床，其特征在于，所述床身上还安装有能够实 现直线往复运动的纵向进给轴，所述纵向进给轴位于所述横向进给轴下方，所述纵向进给 轴与所述横向进给轴成90°水平布置。3. 根据权利要求1所述的一种卧式车削机床，其特征在于，所述横向进给轴包括安装于 所述纵向进给轴上的直线滑轨与平板磁轨，所述直线滑轨关于所述平板磁轨对称布置，所 述直线滑轨上安装有横向滑板，所述横向滑板下表面安装有电机动子。4. 根据权利要求1所述的一种卧式车削机床，其特征在于，所述回转主轴连接有驱动电 机，所述驱动电机为伺服电机。5. 根据权利要求1所述的一种卧式车削机床，其特征在于，所述床身由花岗岩或铸铁制 成。6. 根据权利要求1所述的一种卧式车削机床，其特征在于，所述工件夹具包括主轴夹盘 与可拆卸夹具。7. 根据权利要求6所述的一种卧式车削机床，所述可拆卸夹具具有圆柱体外形且圆柱 面上沿圆周方向均匀分布有工件固定位置，所述工件固定位置安装所述待加工小曲率曲面 零件。8. 根据权利要求1所述的一种卧式车削机床，其特征在于，所述横向进给轴上设有位置 反馈装置。9. 根据权利要求1所述的一种卧式车削机床，其特征在于，所述卧式车削机床上设有全 封闭机罩，所述全封闭机罩上设有透明移动门。10. -种卧式车削机床加工小曲率曲面的方法，其特征在于，所述卧式车削机床包括最 小转速不大于100转/分钟的回转主轴、最大加速度不小于两倍重力加速度值的横向进给 轴，所述回转主轴的轴向垂直于所述横向进给轴的运动方向，所述回转主轴上设有主轴夹 盘，所述主轴夹盘能够快速装夹用于固定待加工小曲率曲面零件的可拆卸夹具，所述横向 进给轴上安装有刀具，所述方法步骤如下： 一、 设定所述回转主轴为C轴，所述横向进给轴为X轴，以X轴与C轴的中心轴交点0为极 点、X轴为极轴建立o-x平面极坐标系； 二、 输入所述待加工小曲率曲面零件的曲面立体图，对曲面的加工路径进行规划，得到 所述待加工小曲率曲面零件的布置方式； 三、 根据理论计算得到小曲率曲面之横断面在0-X平面极坐标系中的轨迹曲线； 三、 利用轨迹曲线，根据理论计算得到C轴的转速与X轴的进给运动的数学关系； 四、 根据工况拟合计算，确定C轴的转速与X轴的进给运动速度； 五、 将所述待加工小曲率曲面零件装夹于所述可拆卸夹具上，将所述可拆卸夹具快速 装夹于所述主轴夹盘上； 六、联动控制C轴的转速与所述刀具的进给速度，完成加工。
【文档编号】B23Q1/01GK105855570SQ201610373168
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】刘冰虎
【申请人】深圳市钛吉多轴数控机床有限公司