CN1124684A - 一种高效多功能振动攻丝机 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于难加工材料小深孔内螺纹加工的高效多功能振动攻丝机。其特性是振源为步进电机，主轴扭转传动***中采用了周向间隙消除机构，提高了主轴的扭转振动精度和刚度，降低了工作噪音，在主轴尾部设有可装卸式螺纹靠模，可更换各种螺距的螺纹靠模，实现各种螺纹孔的攻丝。并且在松开螺纹靠模的螺钉时，可进行钻、铰(或振动铰)加工。主轴长度短，回转质量小，主轴精密支承，使加工效率和加工精度很高。而且设有主轴零点定位机构，可实现自动化或半自动化振动攻丝。

Description

一种高效多功能振动攻丝机

本发明是一种用于难加工材料小深孔内螺纹加工的高效多功能振动攻丝机。

随着科学技术的进步，新材料和难加工材料不断出现，并且其应用量逐年增加。难加工材料的小深孔内螺纹加工是难加工材料加工中的难中之难，而且大部分都是在零件加工的最后一(几)道工序加工螺纹，用普通攻丝方法很难对难加工材料攻丝，极易引起小径丝锥折断，造成贵重零件报废，甚至发生设备故障，造成相当大的经济损失。因此，解决难加工材料小深孔攻丝问题已是当务之急。

振动攻丝新工艺出自于日本，它的出现为解决难加工材料攻丝问题开辟了新的途径。振动攻丝就是在刀具或工件上附加一个有规律的扭转振动，使传统攻丝方法的连续切削过程变成间断、瞬间和重复的切削过程，以达到降低攻丝扭矩的目的。目前，国际上所采用的扭转振动振源有：步进电机、机械结构和超声波变幅杆等。其中实用性和稳定性最好的是步进电机振源。目前的步进电机式振动攻丝机有：日本宇都宫大学隈部淳一郎教授等人研制的可装夹在数控机床主轴头上的扭转振动刀柄(见论文“精密振动ねヒ立て，精密机械，48卷，第8期，1982)；沈阳仪器仪表工艺研究所沈承勋等人研制的扭转振动攻丝机(见论文“ZGJ型振动攻丝机”，仪表技术与传感器，1990年第6期)。

国内外现有的步进电机式振动攻丝装置存在以下几个关键问题：①都忽视了主轴与电机转子间的周向传动间隙，从而导致振动过程的冲击和噪音，使机床振动加剧，并使主轴的扭转振动精度和刚度下降，恶化振动攻丝的效果。②主轴进给用的螺纹靠模，阳螺纹靠模与振动主轴为一体，无法更换其它螺距的螺纹靠模(除非更换整个主轴)，使其只能加工一种螺纹，机床的应用范围很窄。③由于螺纹靠模的存在，使机床只能用于攻丝，而无法再用于钻、铰等加工。④主轴两端只有一个轴承支承(前端)，另一端(后端)用螺纹靠模代替轴承，使主轴的径向变形加大，影响螺纹的加工精度。⑤主轴为外花键，要附加一个花键套，使装置的轴向尺寸加长，振动质量加大，又加上周向存在间隙，从而导致扭转振动频率下降，加工效率降低。

总之，到目前为止，现有的步进电机式振动攻丝机，由于结构和原理的限制，还没有一种既能自动消除和补偿周向传动间隙，又能更换各种螺距的靠模，还能进行钻削和铰削加工的高效多功能振动攻丝机。

本发明的目的就是为了更好地解决难加工材料小深孔内螺纹加工难题，克服以往扭转振动攻丝机的不足，研制一种高效多功能振动攻丝机。

本发明的高效多功能振动攻丝机，其机床外观与台式钻床相类似。它是由步进电机控制***、主轴***、进给***和机床框架组成。振动源和主切削运动均由一个步进电机直接驱动机床主轴完成，步进电机控制***由控制单元(单片机、单板机或计算机)、功率放大单元、执行单元(步进电机)组成。主轴***由扭转传动机构、周向间隙消除机构、主轴的支承机构和刀具装夹机构等组成。进给***由可装卸式螺纹靠模机构、手动进给机构和零点定位机构等组成。机床框架由床身、步进电机支掌架、立柱和工作台等组成。在扭转传动机构中，步进电机轴与外花键轴相固连，外花键轴***主轴的内花键中，将步进电机的扭转振动和主切削运动传给主轴，主轴与外花键轴之间可以相对自由滑动。其周向间隙消除机构，在主轴尾部加有短花键套，短花键套外周与主轴尾孔之间为滑动配合，短花键套上开有两个长形通孔，将两个螺钉穿过该孔并拧入主轴尾部端面两螺钉孔中，并保证两螺钉不接触短花键套。短花键套上面设有两个拉簧拉板，两个螺钉分别穿过拉板上的孔并拧入拉簧内部的螺帽中，拉住拉簧的一端，拉簧的另一端分别钩在螺钉上，这两个拉簧的拉力消除了外花键轴与主轴之间的传动间隙，并可通过调节两个螺钉，改变主轴的扭转刚性。其主轴支承机构中，该主轴上下由滚针轴承和向心球轴承支承在主轴套筒中，阴螺纹靠模由四个螺钉固定在床身上，拆卸时将四个螺钉再松开。阳螺纹靠模为上下两层，下层为阳螺纹靠模，上层为装卸机构，两层之间由两块筋连接，装卸机构由两个内六角螺钉调节通槽宽度，以调节其内孔与主轴配合面之间的松紧，以实现阳螺纹靠模在主轴上的装卸。其手动进给机构中，可装卸螺纹靠模螺钉松开时，主轴与阳螺纹靠模脱开，主轴的进给由手柄控制进给轴和进给齿轮转动，使主轴套筒轴向运动并带动主轴进给。在零点定位机构中，接近开关极板固定在刻度盘上，接近开关固定在床身侧而，并使接近开关端面与极板之间有一定间隙，当极板随着刻度盘转至与接近开关相对位置时，由输出电缆向外部控制单元发出一个开关量，确定此时主轴的位置为零点位置。

下而结合具体实施例和附图详细说明如下：

请参见图1是本发明的高效多功能振动攻丝机总体外观示意图。步进电机(1)通过其法兰盘(2)安装在支撑架(由顶板(3)、前立板(25)、后立板(26)和底板(27)组成)上，电机支撑架底板固定在床身(15)的顶平面上；床身(15)套在机床立柱(41)上，可上下调整床身位置并锁死；机床立柱(41)固定在工作台(40)上。手动进给时，由手柄(35)转动进给轴(37)带动主轴上下移动，移动距离由与进给轴(37)一同转动的刻度盘(36)观测。由螺纹靠模(7)和(14)机动进给时，每次加工都由接近开关(43)确定主轴的零点位置。零点定位机构中，接近开关极板(42)固定在刻度盘(36)上，接近开关(43)端面与极板(42)之间有一定间隙，并由开关底座(45)固定在床身(15)的侧面；当极板(42)转至与接近开关(43)相对位置时，由与控制单元相连的输出电缆(44)发出一个开关量，使控制单元开始执行一个工作循环的控制程序。由三爪夹头(38)装夹刀具(39)。

图2是主轴***与进给***的剖视图，上图为主剖视图，下图为A-A剖面的俯剖视图，步进电机轴(4)通过键(20)与外花键轴(5)相固连，外花键轴(5)***主轴(10)的内花键孔中，将步进电机的扭转振动传给主轴(10)。主轴上、下由滚针轴承(12)和向心球轴承(17)支承在主轴套筒(13)中，轴承(12)和(17)由挡圈(11)、(18)和螺母(19)固定。

主轴(10)的尾部装有花键周向传动间隙消除机构，图3为该机构的详细结构图。图3的左上图为该机构主视图(半剖)，左下图为俯视图，右上图为B-B剖面的剖视图(放大一倍)，右下图为C-C剖面的俯剖视图。该间隙消除机构是在主轴(10)尾部加一短花键套(23)，短花键套(23)上开两个长形通孔，将两个螺钉(6)和(22)穿过该孔并拧入主轴尾部端面上的两个螺钉孔中，并保证螺钉(6)和(22)不接触短花键套(23)；短花键套上面设有两个拉簧拉板(32)和(47)，由图3右上图看，螺钉(33)穿过拉板(32)的孔并拧入拉簧(21)内部的螺帽(34)中拉住拉簧(21)的一端，拉簧(21)的另一端钩在螺钉(6)上；这样对称地在短花键套(23)与主轴(10)周向用两个拉簧(21)和(46)拉紧，使短花键套(23)的花键孔与外花键轴(5)的一侧齿面接触(如左下图所示)，主轴(10)的花键孔与外花键轴(5)的另一侧齿而接触(如右下图所示)，从而消除了外花键轴(5)与主轴(10)之间的正反转间隙，并可通过调节两个螺钉(33)和(48)，改变主轴的扭转刚性。

图2中主轴(10)尾部外周套上一个可装卸阳螺纹靠模(9)，并与阴螺纹靠模(14)配合，阴螺纹靠模(14)由四个螺钉(31)固定在床身(15)上。图4为可装卸阳螺纹靠模的结构图，为上下两层，下层为阳螺纹靠模(9)，上层为装卸机构(7)，两层之间由两块筋连接；装卸机构(7)为特殊园盘上开两个通槽，由两个内六角螺钉(8)和(24)调节通槽宽度，来调节其内孔与主轴(10)配合面之间的松紧，以实现阳螺纹靠模(9)在主轴上的装卸。

图2中，为降低主轴套筒(13)的轴向运动摩擦，在套筒(13)与床身(15)之间增加一层铜衬套(16)。在主轴套筒(13)的右侧加工出齿条，与手动进给轴(30)上的进给齿轮(28)构成齿轮——齿条传动副。当可装卸螺纹靠模的缧钉(8)和(24)锁紧时，主轴(10)与阳螺纹靠模(9)相固连，这时电机轴(4)驱动外花键轴(5)，将扭转运动和扭转振动传递给主轴(10)和阳螺纹靠模(9)，使主轴扭转运动的同时，按螺纹导程轴向进给；主轴(10)的轴向进给带动主轴套(13)轴向运动，并带动进给齿轮(28)转动，也使进给刻度盘(36)和接近开关极板(42)转动。这时攻丝机只能进行与螺纹靠模等螺距的攻丝加工。当可装卸螺纹靠模的螺钉(8)和(24)松开时，主轴(10)与阳螺纹靠模(9)脱开，这时电机传给外花键轴(5)的扭转运动，仅使主轴(10)转动，主轴(10)的进给由手柄(35)控制进给轴(37)和进给齿轮(28)转动，使主轴套筒(13)轴向运动并带动主轴(10)进给。这时可进行各种螺距螺纹的手动自导引攻丝(精度不如有靠模时)，也可进行钻孔加工和铰孔加工及振动铰孔(难加工材料铰孔也很困难)加工。

本发明的高效多功能振动攻丝机与现有振动攻丝机相比，具有以下优点：

①主轴(10)尾部装有花键周向传动间隙消除机构，消除了外花键轴(5)与主轴(10)之间的正反转间隙，使主轴(10)与电机轴(4)始终同步转动，并且主轴(10)可上下自由滑动，通过调节两个螺钉(33)和(48)，可改变主轴(10)的扭转刚性。此机构大幅度降低主轴扭转振动的冲击和噪音，提高主轴的扭转振动精度和刚度。

②主轴(10)尾部装有可装卸螺纹靠模机构，可先将电机(1)和外花键轴(5)移开，然后松开螺钉(8)和(24)及四个内六角螺钉(31)，就可将螺纹靠模(9)和(14)从床身上而取出，更换另一种螺距的螺纹靠模，从而可实现各种螺纹孔的攻丝。

③松开螺钉(8)和(24)就可以使主轴(10)与阳螺纹靠模(9)脱开，由手柄(35)控制主轴(10)上下移动，从而使该机床具有钻孔和铰孔及振动铰孔的功能。这种一机多用特点，可以使工件一次装夹，完成钻、铰、攻丝三个工序，严格保证了螺纹的形、位精度。

④附加一个主轴套筒(13)，并在其内孔两端用一个球轴承(17)和一个滚针轴承(12)支承主轴(10)，保证了主轴的回转精度和径向刚度；并且主轴套筒(13)无论上下移动到什么位置，始终与衬套(16)按一定长度配合，这进一步保证了主轴进给过程中的精度。

⑤主轴(10)为内花键，只需一个与电机轴(4)相连的外花键套(5)，就能将电机轴(4)的扭转振动传给主轴(10)，这使主轴(10)的轴向长度大为缩短；并且与主轴(10)相连的阳螺纹靠模(9)很短，使主轴的长度进一步缩短，这就明显降低了主轴的回转质量，又加上周向间隙的消除，从而使主轴(10)的扭转振动频率大幅度提高，加工效率明显提高。

⑥滚针轴承(12)的采用，使主轴套筒(13)径向尺寸减小，也使床身(15)的宽度减小。

⑦用接近开关(43)进行主轴(10)的零点定位。由螺纹靠模(7)和(14)机动进给时，攻丝前步进电机(1)先反转，当极板(42)与接近开关(44)相对时，即为主轴的零点位置。然后执行振动攻丝程序，攻丝完毕后再回到零点位置。如此循环，可实现振动攻丝的自动化(工件自动装卸时)或半自动化(工件人工装卸时)，使攻丝效率大大提高。

按上述发明构思，制造了一台高效多功能振动攻丝机，步进电机(1)为130BF001型反应式步进电机，轴承(12)为6254905滚针轴承，轴承(17)为104向心球轴承，主轴套筒外径为Φ50、长度为130，接近开关为Φ6RYG，螺纹靠模螺距为3.5，丝锥为M3.5×0.6高速钢丝锥，工件材料为钛合金TC4，工件底孔为Φ3，孔深为20，工件和夹具浸入蓖麻油中。切削条件：步进电机的驱动脉冲频率为1200Hz，正转脉冲数为20步，反转脉冲数为18步。加工结果表明，与不采用间隙消除机构的攻丝机相比，噪音明显降低，攻丝扭矩下降10倍以上，丝锥寿命提高6～10倍，螺纹质量和精度明显改善，每件加工时间为1～3分钟。因此，本发明的高效多功能振动攻丝机为解决高科技领域中难加工材料的攻丝难题提供了有效手段和工具，具有广阔的应用前景和重要的应用价值。

本发明具有下列附图：

图1高效多功能振动攻丝机总体外观示意图；

图2主轴***与进给***的剖视图；

图3周向间隙消除机构原理图；

图4可装卸螺纹靠模(阳螺纹部分)结构图。图中序号说明：1-步进电机                   2-步进电机的法兰盘3-电机支撑架顶板             4-电机轴5-外花键轴                   6-弹簧的挂钉7-阳螺纹靠模的装卸盘         8-阳螺纹靠模的装卸螺钉9-阳螺纹靠模                 10-机床主轴11-滚针轴承挡圈              12-滚针轴承13-主轴套筒                  14-阴螺纹靠模15-机床床身                  16-衬套17-向心球轴承                18-球轴承挡圈19-球轴承固定螺母            20-电机轴传动键21-消除周向传动间隙用拉簧    22-弹簧的挂钉23-消除周向传动间隙用短花键套24-阳螺纹靠模的装卸螺钉25-电机支撑架前立板          26-电机支撑架后立板27-电机支撑架底板            28-手动进给齿轮29-手动进给轴传动键          30-手动进给轴31-阴螺纹靠模紧固螺钉        32-拉簧拉板33-拉簧的拉紧螺钉            34-拉簧的拉紧螺母35-手动进给手柄              36-进给刻度盘37-手动进给轴                38-三爪夹头39-刀具                      40-机床底座41-机床立柱                  42-接近开关极板43-接近开关                  44-接近开关电缆45-接近开关底座              46-拉簧47-拉簧拉板                  48-拉簧的拉紧螺钉

Claims (1)

1.一种高效多功能振动攻丝机，其特征是：振动源和主切削运动均由一个步进电机直接驱动机床主轴完成；主轴***由扭转传动机构、周向间隙消除机构和主轴的支承机构等部分组成；进给***由可装卸式螺纹靠模机构、手动进给机构和零点定位机构等部分组成。

在扭转传动机构中，步进电机轴与外花键轴相固连，外花键轴***主轴的内花键孔中，将步进电机的扭转振动和主切削运动传给主轴，而且主轴与外花键轴之间可以相对自由滑动。

在周向间隙消除机构中，在主轴尾部加一短花键套，短花键套外周与主轴尾孔之间为滑动配合；短花键套上开两个长形通孔，将两个螺钉穿过该孔并拧入主轴尾部端面两螺钉孔中，并保证两螺钉不接触短花键套；短花键套上面设有两个拉簧拉板，两个螺钉分别穿过拉板上的孔，并拧入拉簧内部的螺帽中拉住拉簧的一端，拉簧的另一端分别钩在螺钉上。

在主轴支承机构中，主轴上下由滚针轴承和向心球轴承支承在主轴套筒中。

在可装卸式螺纹靠模机构中，阴螺纹靠模由四个螺钉固定在床身上，拆卸时将四个螺钉再松开；阳螺纹靠模为上下两层，下层为阳螺纹靠模，上层为装卸机构，两层之间由两块筋连接；装卸机构为特殊园盘上开两个通槽，由两个内六角螺钉调节通槽宽度，以调节其内孔与主轴配合面之间的松紧。

在手动进给机构中，可装卸螺纹靠模的螺钉(8)和(24)松开时，主轴(16)与阳螺纹靠模(9)脱开，主轴的进给由手柄(35)控制进给轴(37)和进给齿轮(28)转动，使主轴套筒(13)轴向运动并带动主轴(10)进给。

在零点定位机构中，接近开关极板(42)固定在刻度盘(36)上，接近开关(43)固定在床身(15)侧面，并使接近开关(43)端面与极板之间有一定间隙；当极板(42)随着刻度盘(36)转至与接近开关(43)相对位置时，由输出电缆(44)向外部控制单元发出一个开关量，确定此时主轴的位置为零点位置。

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