CN1072121A - 用于铣床的切削器具 - Google Patents

Abstract

一种进行三维廓形加工的铣床切削器具，其铣刀 的切削刃沿和进给一致的方向切入工件，从而产生最 大的切削效率。该切削器具包括一可转动地安装在 铣床上的轴套，其内有一套柱，一用来移动套柱的定 位驱动装置，一支承在套柱内的驱动轴，一铣刀头，一 在铣刀头内可与驱动轴联接的蜗轮副，一在铣刀头内 与蜗轮副联接的铣刀轴，和一把与铣刀轴联接其上装 有刀齿的侧刃铣刀。

Description

本发明涉及在铣床上加工工件用的切削器具，特别涉及一由横向于铣床旋转轴线的侧刃铣刀所组成、用于三维空间仿形加工的切削器具。

铣床广泛地用于将金属工件加工成精制成品。这类切削加工的范围从简单的直线切割和镗孔到形成复杂的三维廓形。根据主轴轴线的取向可将铣床分为卧式和立式两种。所有铣床都有一床身，其上连接有一工件座和至少一根用来支撑主轴箱的立柱。主轴箱包含有主轴和主轴驱动装置，可相对于工件座运动。工件固定在工件座上，切削刀具则与主轴相连，由主轴驱动装置带动旋转并通过主轴头的运动使之与工件接触。

对加工三维轮廓的情况，典型的方式是切削刀具在被仿形的区域内以连续的形式进行多次走刀。图1和1A表示出一种典型的现有铣削工艺，其中主轴20带动一立铣刀22旋转，后者则在工件28上作一系列槽切割24以形成廓形26。由于为了获得所需的轮廓，刀具运动具有复杂性，采用计算机数字控制***（CNC）现正成为控制切削刀具相对工件运动的标准方式。在CNC中，程序设计员将切削刀具的运动转换成数字程序，然后将之输入一计算机中。计算机与用于主轴头三维运动的各驱动装置和主轴驱动装置电子相联。计算机程序将数字数据转换成调整进给率和速率的电子指令。

所述的铣削操作有许多缺点。立铣刀的很多次走刀使得在一工件上完成仿形加工所需的时间大为增加。此外，当每次槽切割时，工件只与立铣刀的部分切削刀接触，这是因为立铣刀是绕一相对工件横向运动的轴线转动。因此，立铣刀的切削刃不是在进给方向上直接接触工件，所以造成低效切割。另外，还需要第二道切削工序来平滑切割出的槽。

作为铣床的更深一层的例子，以下一些美国专利是有价值的。

1912年6月11日授予Ritter的专利1，029，402中揭示了一用于钻床的铣刀附件。与主轴联接的锥齿轮驱动一齿轮组，此齿轮组依次驱动一与主轴旋转轴线相垂直的侧刃铣刀。由此所得到的铣刀附件仅有一垂直运动轴线，故不适用于三维仿形铣削。

1912年10月8日授予Johnson的专利1，040，954中揭示了一种用于铣床的，能快速更换铣刀和支承各种型式和形状的铣刀的附件。附件由一用于支承刀具的u型壳体和允许刀具在与机床主轴平行的方向上旋转的相联齿轮组所组成。

1960年12月13日授予Strauss的专利2，963，944揭示了一种主轴旋转轴线可以改换为各种不同取向的铣床。在此设备中，基座的上部装有一带主轴和驱动装置的转塔，转塔可旋转并用一独立驱动的立铣头来进行垂直和角度铣削。

1991年2月19日授予Yang的专利4，993，138揭示了一种具有一相对于床身水平设置的开槽悬臂的铣床。一立铣附件沿开槽悬臂作水平运动。

虽然铣床技术已经发展得很完善，然而仍需要一种其结构和位向用来进行复杂的三维仿形加工的铣床切削器具，它还使刀具的切削刃在与进给相同的方向上切入工件，从而产生最大的切削效率。

本发明是一种用于铣床切削器具，其结构和位向用于进行复杂的三维仿形加工，且使刀具的切削刃在与进给相同的方向上切入工件，从而产生最大的切削效率。

据本发明的切削器具主要地由一可转动地安装在铣床上的轴套，一在轴套内可轴向移动的套柱，一用于有选择地相对于轴套移动套柱的定位装置，一可转动地支承在套柱内、并在其前端联接到一铣刀驱动装置上的传动轴，一联接在套柱后端的铣削头，一安装在铣头内可齿轮联接到传动轴上的蜗轮副，一安装在铣头内横向于传动轴、并可与蜗轮副齿轮联接的刀轴，以及一联接在刀轴上、其上的刀齿向前伸出铣削头的侧刃铣刀组成。

在一较佳实施例中，传动轴由一联接在套柱上的自备的铣刀驱动马达带动，在第二种较佳实施例中，传动轴由铣床的主轴驱动***带动。

在操作中，调节侧刃铣刀的旋转轴线，使侧刃铣刀刀齿在进给方向上切入工件。当切割工件时，铣床根据需要垂直和水平移动切削器具，而套柱则按所需相对于轴套移进移出，使侧刃铣刀的刀齿切入工件，从而在其上形成所希望的廓形。

因此，本发明的目的是为了提供一种铣床切削器具，其结构和位向是为了进行复杂的三维仿形加工，并且还使得刀具的切削刃在与进给相同的方向上切入工件，从而产生最大的切削效率。

由以下说明可以清楚了解本发明的这些和另外一些目的、优点、特征和效益。

图1为在工件上切出一系列槽以形成一三维廓形的加工过程中一个带有立铣刀的普通铣床的局部剖视图。

图1A为如沿图1中1A-1A线所见的普通切削过程的明细视图。

图2为根据本发明的安装在一铣床上的切削器具的透视图，表示在工件上切削三维廓形的工件状态。

图3为沿图2中3-3线所见的据本发明的切削器具的侧视图，表示了切削器具可能的取向。

图4为沿图2中4-4线所见的据本发明的切削器具的顶视图。

图5为沿图4中5-5线所见的据本发明的切削器具的侧视图。

图6为沿图4中6-6线所见的据本发明的切削器具的侧视图。

图7为沿图5中7-7线所见的据本发明的切削器具的部分侧面剖视图。

图8为沿图7中8-8线所见的据本发明的切削器具的端剖视图。

图9为沿图6中9-9线所见的据本发明的切削器具的部分侧剖视图。

图10为沿图7中10-10线所见的据本发明的切削器具的部分侧视图。

图11为沿图9中11-11线所见的据本发明的切削器具的断面端视图。

图12为一具有精密滚珠丝杠定位装置的切削器具的部分侧剖视图。

图13为据本发明的铣刀在切削工件的三维廓形过程中的部分侧剖视图。

现参阅视图，图2表示了处于工作状态的据本发明的切削器具100;它安装在铣床102上并在工件106上切削一复杂的三维廓形104。铣床102包括一底座102a，二立柱102b，一由一驱动装置（未示出）带动、能沿轴线Y相对立柱作垂直运动的主轴头架102c，以及一由一驱动装置（未示出）驱动能沿轴线Z相对底座作水平运动的工件座102d。切削器具100安装在主轴头架102c上并由一驱动装置（未示出）驱动，能沿轴线X通过导轨102e相对于主轴头架102c作水平运动。这样，铣床102使切削器具100相对于工件106具有三个运动自由度。

如图3和6所例示的那样，切削器具100是用一个图形转盘108、一转盘块110和穿过导轨102e上槽102e′的转盘安装螺栓112安装在主轴头架102c的导轨102e上的。并且，切削器具100可绕转盘安装螺栓112旋转90°（垂直轴线Y的每侧45°）而具有一附加运动自由度。切削器具的旋转由一驱动装置（未出示）控制。

图2和3还表示了切削器具100包括一与转盘108相联的轴套114。此轴套容纳一可在其内轴向滑动的套柱116。在套柱116的前端116a处设置一侧刃铣刀118，用来在工件106上进行加工。在套柱的后端116b处设置一主轴驱动装置，用来带动侧刃铣刀。主轴驱动装置可以如主轴驱动装置120所示那样是切削器具的一部分，或者可以是另一种方式，即铣床的主轴驱动装置。

现参阅图4至12来详细说明切削器具100的构造和功能。关于这一点，图4至11描绘了本发明的一个较佳实施例，而图12描绘了它的一个改进变化形式为套柱相对于轴套的定位运动提供最高精度的控制。

先参阅图4至12中描绘的切削器具100的实施例，用螺栓122将轴套114联接到转盘108上。套柱116可滑动地容纳在轴套内，它们之间的润滑采用现已周知的用气压入油的方式。在轴套114的后端114b联接一个定位圈126。定位圈126起着正引套柱116相对于轴套114移动的作用。套柱116由一连于定位圈126的定位马达128通过一与套柱相连的齿条130和一与定位马达相连的小齿轮132可滑动地进行调整。有选择地启动定位马达使套柱在轴套内有选择地滑动，从而相对于转盘108和铣床102有选择地移动。套柱116由装在套柱和轴套相对两侧的一对相互配合的键134a和键槽134b导引，限制它相对于轴套114转动。

一盖板136与套柱116的后端116b相连，它支承主轴驱动装置120。主轴驱动装置120由安装于盖板136上的铣刀驱动马达138构成。驱动轴140与铣刀驱动马达相连并在套柱内朝其前端116a轴向延伸。一花键驱动轴联轴器142将驱动轴140的前端140a与铣刀头传动轴144相联。另一种方法，驱动轴140与铣刀头驱动轴144可以做成整体的，从而省去如图12中所示的联轴器142（驱动轴140做成与铣刀驱动马达138花键联接的结构）。

在套柱116的前端116a处联接有一铣刀头146。铣刀头146有一铣刀头体146′，后者用众所周知的方式，例如用埋头螺栓148，可移动地联接在套柱上。铣刀头体的前端150开槽，槽151的方向与套柱116的圆柱轴线平行。铣刀轴152横穿过铣刀头体146′的前端150处，在槽151两侧形成的两部分150a和150b。铣刀轴152的第一段152a有一花键部分152b，而相邻第二段152c的横截面较小并含有花键部分152d。铣刀轴由轴承154a和154b支承，并由端盖156b固定在位，端盖154a和154b则依次由螺栓148固定。铣刀头驱动轴144由轴承155支承并带有一蜗杆158，一与铣刀轴152的第二段152c的花键部分152d联接的蜗轮160与蜗杆158啮合。侧刃铣刀118安装于铣刀轴152上，位于铣刀头的150a和150b两部分之间并开有齿花键孔与铣刀轴的第一段152a上花键部分152b配合。侧刃铣刀118的横截面是圆形的并在其周边163上有多个切削刀齿162。刀齿162有所需的特定的前倾角、后角及主偏角以适应特定的加工。

轴套的前端114a开有螺纹，一锥形锁紧螺母配合此螺纹并靠紧锥形锁圈166以便在相对于轴套114的选定位置上锁紧铣刀头。这一结构在省去定位马达128的情况下，对铣刀头的定位是特别有用的，当然假设没有它仍能得到的足够的铣刀头运动自由度。

现参阅图12，图中详细描述了一种具有高精度轴向可滑动功能的切削器具100型式。

一稍加改进的轴套114′在其后端114b通过螺栓172接上了一延伸轴套部170。延伸轴套部的终端联一端盖174，与端盖174相连的定位马达128′有一主动皮带槽轮176，并通过皮带180驱动一从动皮带槽轮178。从动皮带槽轮与一滚珠丝杠182相连，后者由一滚珠丝杠挡圈183依次联接在端板174上。滚珠螺杠与装在改进盖板136′上的滚珠丝杠螺母184作螺纹和滚珠轴承式配合。盖板又依次联在套柱116上。如前所述铣刀头146是联在套柱的前端。驱动轴140′最好是整体结构。（铣刀头驱动轴仅表示驱动轴的前端部分）将铣刀驱动装置，或者铣床的主轴驱动装置联在驱动轴140′的远端143。一驱动马达转矩管141与盖板136′相连，用来在其端部141′联接铣刀驱动马达138。由于定位马达128′是有选择地启动的，滚珠丝杠182转动并与盖板136′产生螺丝作用，使套柱相对轴套114′轴向运动。套柱相对轴套的运动由位于位延伸轴套170的内侧上的斜槽186与位于盖板136′上的键188之间的相互配合来控制。

现将结合附加的图13来描述切削器具100的工作。

启动主轴驱动装置（铣刀驱动马达或铣床的主轴驱动装置），从而使动轴以一预定的速度旋转。驱动轴又依次地使铣刀头驱动轴、蜗杆、蜗轮、铣刀轴和侧刃铣刀旋转。根据CNC程序，按照需要有选择地利用切削器具有前述四个运动自由度，使侧刃铣刀的刀齿与工件接触以便在它上面形成预定的廓形。CNC控制的运动包括启动定位马达，而套柱则相对于轴套滑动。

从图13中可以看出，通过一系列渐进的行条S，可在工件表面切出复杂的三维廓形来。每个行条由已有技术***采用立铣刀方法所制，比如图1和1A所示的非常狭窄的切割槽要大得多。并且，每个行条与相邻行条的会合比已有技术的切割槽的会合要平滑得多，以致使廓形的精加工减至最小。进一步地，因为侧刃铣刀的刀齿是在行条的切削方向上切入工件，而不象已有技术的情况是横向地切入的，所以切削时间大为缩短，而使成本降低及可获利提高。

对于那些熟练于本发明领域的人员来说，可以变更或修改所述的较佳实施例。譬如，如上文所指出的，驱动轴可由一与铣床相连的主轴驱动装置，而不是用与切削器具本身相连的装置来启动;关于这点，主轴驱动装置的主轴将带动驱动轴转动;另外关于这点，铣床还可包括一附装有本发明的铣刀头146的铣刀头体的套柱。可以在不偏离本发明范围的情况下实现这种变更或修改。本发明由所附的权利要求书的范围所限定的。

Claims (16)

1、一种用于铣床的切削器具，所述切削器具包括：

一用于与铣床联接而构成的轴套，所述轴套有一前端和一后端；

一轴向地容纳在所述轴套内的套柱，所述套柱有一前端和一后端，所述套柱有一圆柱轴线，所述轴套和所述套柱的结构使所述套柱能相对于所述轴套滑动；

用于防止所述套柱相对于所述轴套转动的导引装置；

与所述套柱的所述后端相联的铣刀驱动装置；用于提供一转动源；

一与所述铣刀驱动装置相连的驱动轴，所述驱动轴由所述铣刀驱动装置带动旋转，所述驱动轴伸向所述套柱的所述前端，所述驱动轴相对于所述套柱的圆柱轴线平行对齐；以及

一与所述套柱的所述前端相连的铣刀头，所述铣刀头包括：

一铣刀头体，所述铣刀头体具有一后端与所述套柱的所述前端相连，所述铣刀头体有一前端，所述铣刀头体的所述前端有一槽，所述槽对所述套柱的圆柱轴线相平行定向，所述铣刀头体的所述前端的第一部分设置在所述槽的一侧，所述铣刀头体的所述前端的第二部分设置在所述槽的另一侧；

一铣刀轴可旋转地安装在所述铣刀头体的所述前端的每个所述第一和第二部分上，所述铣刀轴相对于所述槽和所述驱动轴横向定向；

一与所述铣刀轴相连的侧刃铣刀，所述侧刃铣刀与所述铣刀轴在所述槽内转动，所述侧刃铣刀有一延伸出所述铣刀头体的所述前端的圆周边，所述侧刃铣刀在其所述圆周边上有多个刀齿；以及

铣刀轴驱动轴齿轮传动装置，用来与所述铣刀轴与所述驱动轴可驱动地联接。

2、如权利要求1所述的切削器具，还包括与所述轴套相连、用来将轴套联接到铣床上并用于使所述轴套相对于铣床有选择地定向的转盘装置。

3、如权利要求1所述的切削器具，还包括用来有选择地相对所述轴套轴向地移动所述套柱的定位马达装置。

4、如权利要求3所述的切削器具，还包括与所述轴套相连，用来将所述轴套联接到铣床上，并用于使所述轴套相对于铣床能有选择地定向的转盘装置。

5、如权利要求3所述的切削器具，其中所述定位马达装置包括：

一与所述轴套相连的定位马达，所述定位马达有一小齿轮;和

一与所述套柱相连的齿条，所述齿条与所述小齿轮相啮合。

6、如权利要求3所述的切削器具，其中所述定位马达装置包括：

一具有前端和后端的轴套延伸部，所述轴套延伸部的所述前端与所述轴套的所述后端相连;

一与所述轴套延伸部的所述后端相连的定位马达;

一与所述套柱的所述后端相连的滚珠丝杠螺母;

一与所述轴套延伸部的所述后端可转转地联接的滚珠丝杠，所述滚珠和所述滚珠丝杠螺母作螺纹接合;以及

用来将上述定位马达的转动传递到所述滚珠丝杠的转动的运动传递装置。

7、如权利要求6所述的切削器具，还包括一与所述套柱的所述后端相联用来将所述铣刀驱动装置联接到其上的驱动马达转矩管。

8、如权利要求3所述的切削器具，其中所述轴套的所述前端内部制有螺纹;所述切削器具还包括套柱锁紧装置，用于有选择地锁紧所述套柱相对于所述轴套的可能滑动，所述套柱锁紧装置包括：

一与所述轴套的上述前端的螺纹可作螺纹配合的锥形锁紧螺母;和

一位于所述锥形锁紧螺母和所述套柱之间的锥形锁圈，所述锥形锁圈的结构与所述锁紧螺母配合工作，以便为所述锥形锁紧螺母在上述轴套的上述前端的螺纹上有选择地旋入一预定数量时，在上述套柱上施加一锁紧力来防止所述套柱相对于所述轴套的可能滑动。

9、一种用于具有一主轴驱动装置的铣床的切削器具，所述切削器具包括：

一用来与铣床联接而构置的轴套，所述轴套有一前端和一后端;

一轴向地容纳在所述轴套内的套柱，所述套柱有一前端和一后端，所述套柱有一圆柱轴线，所述轴套和所述套柱的结构使所述套柱能相对于所述轴套滑动;

用于防止所述套柱相对于所述轴套转动的导引装置;

与所述套柱的所述后端相联，用于通过与铣床的主轴相联接来提供一转动动力源的铣刀驱动装置;

一与所述铣刀驱动装置相联的驱动轴，所述驱动轴由所述铣刀驱动装置带动旋转，所述驱动轴延伸向所述套柱的所述前端，所述驱动轴与所述套柱的圆柱轴线平行对齐;和

一与所述套柱的所述前端相连接的铣刀头，所述铣刀头包括：

一铣刀头体，所述铣刀头体具有一与所述套柱的所述前端相连的后端，所述铣刀头体具有一前端，所述铣刀头体的所述前端有一槽，所述槽有与所述套柱的圆柱轴线相平行的方向，所述铣刀头体的所述前端的第一部分位于所述槽的一侧，所述铣刀头体的所述前端的第二部分位于所述槽的另一侧;

一可转动地安装在所述铣刀头体的所述前端的每个所述的第一和第二部分上的铣刀轴，所述铣刀轴的径向相对于所述槽和所述驱动轴横向;

一与所述铣刀轴相连的侧刃铣刀，所述侧刃铣刀在所述槽内与所述铣刀轴一起旋转，所述侧刃铣刀有一延伸出所述铣刀头体的所述前端的周边，所述侧刃铣刀在所述周边上装有多个刀齿;以及

用于将所述铣刀轴可驱动地联接在所述驱动轴的铣刀轴驱动轴齿轮传动装置。

10、如权利要求9所述的切削器具，还包括与所述轴套相连，用来将所述轴套联接到铣床上并用来使所述轴套相对于铣床能有选择地定向的转盘装置。

11、如权利要求9所述的切削器具，还包括用来有选择地相对于所述轴套沿轴向移动所述套柱的定位马达装置。

12、如权利要求11所述的切削器具，进一步包括与所述轴套相联，用来将所述轴套联接到铣床上并用于使所述轴套能有选择地相对于铣床定向的转盘装置。

13、如权利要求11所述的切削器具，其中所述定位马达装置包括：

一与所述轴套相连的定位马达，所述定位马达有一小齿轮;以及

一与所述套柱相连的齿条，所述齿条与所述小齿轮作齿轮啮合。

14、如权利要求11所述的切削器具，其中所述定位马达装置包括：

一具有一前端和一后端的轴套延伸部，所述轴套延伸部的所述前端与所述轴套的所述后端相连;

一与所述轴套延伸部的所述后端相连的定位马达;

一与所述套柱的上述后端相连的滚珠丝杠螺母;

一与所述轴套延伸部的所述后端可转动联接的滚珠丝杠，该滚珠丝杠与所述滚珠丝杠螺母作螺纹结合;以及

用来将所述定位马达的转动传递为所述滚珠丝杠的转动的运动传递装置。

15、如权利要求11所述的切削器具，其中所述轴套的所述前端加工有内螺纹，所述切削器具还包括套柱锁紧装置，用来有选择地锁紧该套柱相对于该轴套的可能滑动，该套柱锁紧装置包括：

一与所述轴套的所述前端的螺纹以螺纹可作螺纹结合的锥形锁紧螺母;以及

一位于所述锥形锁紧螺母与所述套柱之间的锥形锁圈，所述锥形锁圈的结构与所述锁紧螺母配合工作，以便当所述锥形锁紧螺母在所述轴套的所述前端的螺纹上有选择地旋入一预定数量时，在所述套柱上施加一锁紧力来防止该套柱相对于该轴套可能滑动。

16、一种用来与一铣床的套柱的前端相联接的铣刀头，其中的套柱有一圆柱轴线、铣床包括一用来转动一与套柱的圆柱轴线相平行的所联接的主轴的主轴驱动装置，所述铣刀头包括：

一铣刀头体，所述铣刀头体有一与所述套柱的所述前端相联接的后端，所述铣刀头体有一前端，所述铣刀头体的所述前端有一槽，所述槽的方向与所述套柱的圆柱轴线平行，所述铣刀头体的所述前端的第一部分位于所述槽的一侧，所述铣刀头体的所述前端的第二部分位于所述槽的另一侧;

一可转动地安装在所述铣刀头体的所述前端的所述第一和第二各部分上的铣刀轴，所述铣刀轴的方向横向于所述槽和所述套柱的所述圆柱轴线;

一与所述铣刀轴相连的侧刃铣刀，所述侧刃铣刀在所述槽内与所述铣刀轴一同转动，所述侧刃铣刀有一周边延伸出所述铣刀头体的所述前端，所述侧刃铣刀在其周边上装有多个刀齿;以及

铣刀轴驱动轴齿轮传动装置，用来可驱动地将所述铣刀轴联接到与铣床的主轴驱动装置相连的主轴上。

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