专利名称：一种球头立铣刀及其磨削加工四轴联动设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铣削工具及其加工设备，特别是一种用于数控机床加工的球头立铣刀及 其磨削加工四轴联动设备。
技术背景球头立铣刀是数控机床加工复杂曲面的一种常用新型结构刀具，在模具制造、汽车制造 、航天航空、电子通讯产品制造等行业有着广泛的应用。目前所见的整体式球头立铣刀的前刀面一般采用四轴联动以下简单的磨削加工设备进行 磨削加工形成，其球刃为平面切削刃，球刃前刀面为负前角或部分负前角，且球刃(即球头 部分切削刃)前刀面和周刃(即圆周部分切削刃，圆柱形球头立铣刀的圆周部分为圆柱，圆 锥形球头立铣刀的圆周部分为圆锥)前刀面不是光滑连接，该类前刀面球头立铣刀在加工过 程中，易产生振动、切削不平稳、排屑不畅等现象，用其加工的产品精度和质量较差，使用 场合受到限制。另一类磨削加工方法采用五轴联动磨削加工机床进行刃磨。该类磨削加工机 床的五轴联动采用两个转动轴和三个移动轴之间联动，设备设计复杂，设备制造精度要求高 ，制造难度加大，造成设备价格高。购买该类设备的投资大，造成球头立铣刀的生产和刃磨 成本高。发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种在加工过程中不易产生振动、切削过程平稳、排 屑顺畅的球头立铣刀，同时提供一种结构较简单，投资较小，价格适中，经济性好的球头立 铣刀的磨削加工四轴联动设备。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下 一种球头立铣刀。其构成包括球头 部分和圆柱部分(或者圆锥部分)，在所述的球头部分有通过球心的S形球刃、球刃前刀面 、球刃后刀面和球刃螺旋槽；在所述的圆柱部分(或者圆锥部分)有螺旋形周刃、周刃前刀 面、周刃后刀面和周刃螺旋槽；所述的S形球刃与螺旋形周刃连接，球刃前刀面与周刃前刀 面光滑连接，球刃后刀面与周刃后刀面连接，球刃螺旋槽与周刃螺旋槽连接；所述的球刃前 刀面的前角为较大正前角，从内到外呈小大小分布，即靠近顶部较小，中部较大，靠近圆周 部分较小。上述的球头立铣刀中，在所述的球刃前刀面靠近刃口部分有一个很窄的刃带，形成倒棱，该倒棱的宽度随磨削参数的变化而变化，从内到外呈小大小分布，即靠近顶部较小，中部 较大，在靠近圆周部分较小。一种球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备。包括床身和安装在床身上的水平纵向X轴直 线运动平台、水平横向Y轴直线运动平台、垂直方向Z轴直线运动平台、工件旋转轴和前刀面 磨头、后刀面磨头，水平纵向X轴直线运动平台与水平横向Y轴直线运动平台相互垂直；工件 旋转轴安装在水平纵向X轴直线运动平台上，并可分别随水平纵向X轴直线运动平台和水平横 向Y轴直线运动平台沿X轴、Y轴方向移动；垂直方向Z轴直线运动平台与水平纵向X轴直线运 动平台和水平横向Y轴直线运动平台搭接或与前刀面磨头和后刀面磨头搭接。上述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备中，前刀面磨头和后刀面磨头相对安装在机 床的两侧。前述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备中，前刀面磨头和后刀面磨头也可沿Z轴方 向保持一定间距依次重叠安装。前述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备中，前刀面磨头和后刀面磨头也可相距串装 在同一砂轮轴上，但在磨削前刀面和后刀面时，需调整分度，转动一个安装角。前述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备中，前刀面磨头可绕垂直于水平面的轴线在 水平面内360度分度转动。前述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备中，前刀面磨头可绕垂直于X轴和垂直于Y轴 的轴线转动。前述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备中，水平纵向X轴直线运动平台、水平横向 Y轴直线运动平台、垂直方向Z轴直线运动平台均采用滚珠丝杆传动。与现有技术相比，本发明的球刃具有良好的S形，刃形幅度较大，有利于刀具切削过程 的平稳；其球刃前刀面的前角均为较大正前角，从内到外呈小大小分布，即靠近顶部较小， 中部较大，在靠近圆周部分较小，而且在球刃前刀面靠近刃口部分有一个很窄的刃口带，形 成倒棱，刃磨参数不同倒棱的宽度不同，从内到外宽度呈小大小分布，即靠近顶部较小，中 部较大，在靠近圆周部分较小，这样使得用其加工的产品精度和质量较高，使用场合比较广 。本发明的球头部分槽底曲线和圆周槽底曲线在球头与圆周交接附近光滑连接以实现球刃前 刀面与周刃前刀面能在球头与圆柱(或圆锥)交接部分较好连接，有利于顺利排屑，球头部 分槽底曲线为回转曲面变导程螺旋线，圆柱形球头立铣刀圆柱部分槽底曲线为护轴线螺旋线 ，圆锥形球头立铣刀圆锥部分槽底曲线为圆锥螺旋线。本发明的球头立铣刀的磨削加工四轴 联动设备采用X、 Y、 Z三个相互垂直的直线运动平台和绕工件(球头立铣刀)轴线转动的旋转轴，比五轴联动加工中心减少了一根转动轴，从而使机床结构更加简单，运动部件间精度 易保证，有效的降低了设备成本。本发明的前刀面磨头和后刀面磨头可以实现一次装夹工件 磨削加工出前后刀面，减少了磨削加工的调整误差和安装误差，保证了球头立铣刀的制造精 度，对球头立铣刀生产单位和用户具有重要的经济意义。
图1为本发明的球头立铣刀的结构示意图；图2为本发明的球头立铣刀的S形球刃的结构示意图；图3为本发明的球头立铣刀的球头部分端剖面的结构特征示意图；图4为本发明的球头立铣刀的前刀面刃口带的变化示意图；图5为本发明的圆柱形球头立铣刀的球刃前刀面与周刃前刀面的连接示意图；图6为本发明的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备的结构示意图；图7是图6的左向侧视图。
具体实施方式
本发明的实施例l:如附图1所示，球头立铣刀的构成包括球头部分和圆柱部分，在球头 部分有通过球心的S形球刃1、球刃前刀面2、球刃后刀面3和球刃螺旋槽4;在圆柱部分有螺旋形周刃5、周刃前刀面6、周刃后刀面7和周刃螺旋槽8; S形球刃l与螺旋形周刃5连接，球 刃前刀面2与周刃前刀面6光滑连接，球刃后刀面3与周刃后刀面7连接，球刃螺旋槽4与周刃 螺旋槽8连接，球刃前刀面2的前角为较大正前角，从内到外呈小大小分布，即靠近顶部较小 ，中部较大，靠近圆周部分较小；在球刃前刀面2靠近刃口部分有一个很窄的刃带9，形成倒 棱(见附图4)，该倒棱的宽度随磨削参数的变化而变化，从内到外呈小大小分布，即靠近 顶部较小，中部较大，在靠近圆周部分较小。球头部分槽底曲线和圆柱的圆周槽底曲线在球 头与圆周交接附近光滑连接以实现球刃前刀面2与周刃前刀面6能在球头与圆柱交接部分较好 连接(见附图5)，有利于顺利排屑，球头部分槽底曲线为回转曲面变导程螺旋线，圆柱形 球头立铣刀圆柱部分槽底曲线为护轴线螺旋线。球头立铣刀的后刀面和通常所见一样，其按 照任一时刻切削刃(球刃、周刃)上的一点与砂轮的圆周面相切的原理磨削而成。本发明球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备如附图6所示，其构成包括床身10和安装在 床身10上的水平纵向X轴直线运动平台11、水平横向Y轴直线运动平台12、垂直方向Z轴直线 运动平台13、工件旋转轴14、前刀面磨头15和后刀面磨头16。还包括液压气动系统、润滑系 统、冷却系统、数控系统、砂轮修磨装置和伺服运动控制系统等其他辅助装置。床身10采用 咸阳机床厂生产的MYA6025型万能工具磨床，伺服运动控制系统由安川(YASKAWA)的2—I1系列SGDM型伺服驱动器(型号为SGDM-08ADA 、 SGDM-15ADA)、伺服电机和PMAC运动控制卡 组成。Y轴直线运动平台12与工具磨床工作台的纵向移动方向平行，磨削过程中工具磨床的 纵向、横向进给机构和砂轮升降机构锁死。前刀面磨头15用于加工前刀面，后刀面磨头16用 于加工后刀面，前刀面磨头15和后刀面磨头16相对安装在床身10的两侧，分别磨削加工出球 头立铣刀前后刀面。前刀面磨头15和后刀面磨头16也可相距串装在同一砂轮轴上，但在磨削 前刀面和后刀面时，需调整分度，转动一个安装角。前刀面磨头15可绕垂直于水平面的轴线 在水平面内360度分度转动^ ，以调整砂轮轴与工件轴的夹角。也可绕垂直于X轴和垂直于Y 轴的轴线转动^，以调整砂轮的姿态(通常^J')。后刀面磨头16的砂轮轴与水平纵向X 轴直线运动平台ll的轴线垂直。水平纵向X轴直线运动平台11与水平横向Y轴直线运动平台12 相互垂直；工件旋转轴14安装在水平纵向X轴直线运动平台11上，可随水平纵向X轴直线运动 平台11沿X轴方向移动和随水平横向Y轴直线运动平台12沿Y轴方向移动；垂直方向Z轴直线运 动平台13与水平纵向X轴直线运动平台11和水平横向Y轴直线运动平台12搭接，以实现工件( 球头立铣刀)之间在垂直方向的相对运动。水平纵向X轴直线运动平台ll、水平横向Y轴直线 运动平台12、垂直方向Z轴直线运动平台13均采用滚珠丝杆传动。本发明的实施例2:包括球头部分和圆锥部分，在球头部分有通过球心的S形球刃1、球 刃前刀面2、球刃后刀面3和球刃螺旋槽4;在圆锥部分有螺旋形周刃5、周刃前刀面6、周刃 后刀面7和周刃螺旋槽8; S形球刃l与螺旋形周刃5连接，球刃前刀面2与周刃前刀面6光滑连 接，球刃后刀面3与周刃后刀面7连接，球刃螺旋槽4与周刃螺旋槽8连接，球刃前刀面2的前 角为正前角，从内到外呈小大小分布，即靠近顶部较小，中部较大，靠近圆周部分较小；在 球刃前刀面2靠近刃口部分有一个很窄的刃带9，形成倒棱，该倒棱的宽度随磨削参数的变化 而变化，从内到外呈小大小分布，即靠近顶部较小，中部较大，在靠近圆周部分较小。球头 部分槽底曲线和圆锥的圆周槽底曲线在球头与圆周交接附近光滑连接以实现球刃前刀面2与 周刃前刀面6能在球头与圆锥交接部分较好连接，有利于顺利排屑，球头部分槽底曲线为回 转曲面变导程螺旋线，圆锥形球头立铣刀圆锥部分槽底曲线为圆锥螺旋线。球头立铣刀的后 刀面和通常所见一样，其按照任一时刻切削刃(球刃、周刃)上的一点与砂轮的圆周面相切 的原理磨削而成。本发明球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备的构成包括床身10和安装在床身10上的水平 纵向X轴直线运动平台ll、水平横向Y轴直线运动平台12、垂直方向Z轴直线运动平台13、工 件旋转轴14、前刀面磨头15和后刀面磨头16。还包括液压气动系统、润滑系统、冷却系统、 数控系统、砂轮修磨装置和伺服运动控制系统等其他辅助装置。床身10采用咸阳机床厂生产的MYA6025型万能工具磨床，伺服运动控制系统由安川(YASKAWA)的2—II系列SGDM型伺服 驱动器(型号为SGDM-08ADA 、 SGDM-15ADA)、伺服电机和PMAC运动控制卡组成。Y轴直线运 动平台12与工具磨床工作台的纵向移动方向平行，磨削过程中工具磨床的纵向、横向进给机 构和砂轮升降机构锁死。前刀面磨头15用于加工前刀面，后刀面磨头16用于加工后刀面，前 刀面磨头15和后刀面磨头16沿Z轴方向重叠安装，但在Z轴方向上保持必要的间距，以保证球 头立铣刀磨削加工中合理的空间位置。前刀面磨头15可绕垂直于水平面的轴线在水平面内 360度分度转动^，以调整砂轮轴与工件轴的夹角。也可绕垂直于X轴和垂直于Y轴的轴线转 动^，以调整砂轮的姿态(通常^J')。后刀面磨头16的砂轮轴与水平纵向X轴直线运动 平台ll的轴线垂直。水平纵向X轴直线运动平台11与水平横向Y轴直线运动平台12相互垂直； 工件旋转轴14安装在水平纵向X轴直线运动平台11上，可随水平纵向X轴直线运动平台11沿X 轴方向移动和随水平横向Y轴直线运动平台12沿Y轴方向移动；垂直方向Z轴直线运动平台13 与前刀面磨头15和后刀面磨头16搭接。
权利要求
1. 一种球头立铣刀，其构成包括球头部分和圆柱/圆锥部分，其特征在于在所述的球头部分有通过球心的S形球刃(1)、球刃前刀面(2)、球刃后刀面(3)和球刃螺旋槽(4)；在所述的圆柱/圆锥部分有螺旋形周刃(5)、周刃前刀面(6)、周刃后刀面(7)和周刃螺旋槽(8)；所述的S形球刃(1)与螺旋形周刃(5)连接，球刃前刀面(2)与周刃前刀面(6)光滑连接，球刃后刀面(3)与周刃后刀面(7)连接，球刃螺旋槽(4)与周刃螺旋槽(8)连接；所述的球刃前刀面(2)的前角为较大正前角，从内到外呈小大小分布，即靠近顶部较小，中部较大，靠近圆周部分较小。
2、根据权利要求l所述的球头立铣刀，其特征在于在所述的球刃前 刀面(2)靠近刃口部分有一个很窄的刃带(9)，形成倒棱，该倒棱的宽度随磨削参数的变 化而变化，从内到外呈小大小分布，即靠近顶部较小，中部较大，在靠近圆周部分较小。
3、一种球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备，包括床身(10)和安 装在床身(10)上的水平纵向X轴直线运动平台(11)、水平横向Y轴直线运动平台(12)、 垂直方向Z轴直线运动平台(13)、工件旋转轴(14)和前刀面磨头(15)、后刀面磨头( 16)，其特征在于水平纵向X轴直线运动平台(11)与水平横向Y轴直线运动平台(12)相 互垂直；工件旋转轴(14)安装在水平纵向X轴直线运动平台(11)上，并可分别随水平纵 向X轴直线运动平台(11)和水平横向Y轴直线运动平台(12)沿X轴、Y轴方向移动；垂直方 向Z轴直线运动平台(13)与水平纵向X轴直线运动平台(11)和水平横向Y轴直线运动平台 (12)搭接或与前刀面磨头(15)和后刀面磨头(16)搭接。
4、根据权利要求3所述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备，其特 征在于前刀面磨头(15)和后刀面磨头(16)相对安装在床身(10)两侧。
5、根据权利要求3所述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备，其特 征在于前刀面磨头(15)和后刀面磨头(16)沿Z轴方向保持一定间距依次重叠安装。
6、根据权利要求3所述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备，其特 征在于前刀面磨头(15)和后刀面磨头(16)相距串装在同一砂轮轴上。
7. 根据权利要求3所述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备，其特 征在于前刀面磨头(15)可绕垂直于水平面的轴线在水平面内360度分度转动。
8. 根据权利要求3或6所述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备， 其特征在于前刀面磨头(15)可绕垂直于X轴和垂直于Y轴的轴线转动。
9. 根据权利要求3所述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备，其特 征在于水平纵向X轴直线运动平台(11)、水平横向Y轴直线运动平台(12)、垂直方向Z 轴直线运动平台(13)均采用滚珠丝杆传动。
全文摘要
本发明公开了一种球头立铣刀及其磨削加工四轴联动设备，该球头立铣刀的S形球刃(1)与螺旋形周刃(5)连接，球刃前刀面(2)与周刃前刀面(6)光滑连接，球刃后刀面(3)与周刃后刀面(7)连接，球刃螺旋槽(4)与周刃螺旋槽(8)连接；球刃前刀面(2)的前角为较大正前角，从内到外呈小大小分布；球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备包括床身(10)和安装在床身(10)上的水平纵向X轴直线运动平台(11)、水平横向Y轴直线运动平台(12)、垂直方向Z轴直线运动平台(13)、工件旋转轴(14)和前刀面磨头(15)、后刀面磨头(16)。本发明具有切削平稳、排屑顺畅、结构简单、成本低、价格适中，经济性好等特点。
文档编号B24B3/06GK101239406SQ20081030051
公开日2008年8月13日 申请日期2008年3月11日 优先权日2008年3月11日
发明者彪 何, 林 何, 管琪明, 蔡家斌, 赵先锋, 勤 黄 申请人:贵州大学