液氮内喷式数控钻铣床主轴装置制造方法
【专利摘要】本发明液氮内喷式数控钻铣床主轴装置属于数控机床主轴设计领域，涉及一种通过主轴内腔流通液氮直至中空刀具切削刃附近细孔喷出，实现深冷低温切削的数控钻铣床主轴装置。液氮内喷式主轴装置由主轴组件，液氮绝热管组件，拉钉组件组成。主轴组件中的主轴为中空形状，液氮绝热管组件中的两个轴承分别套装到两个轴承紧定套上，两个紧固螺母分别旋扭到两个轴承紧定套锥面外螺纹上。拉钉组件中两锥齿轮对称安装于刀具连接架两个外圆孔中，通过内槽滚珠旋转和限制轴向移动；真空绝热硬管由内外两组钢管组合而成。该装置提高了难切削材料的加工精度和刀具耐用度，降低了液氮损耗，拓展了复杂结构工件加工范围，可用于不同工况条件加工，实用性强。
【专利说明】液氮内喷式数控钻铣床主轴装置
【技术领域】
[0001]本发明属于数控机床主轴设计领域，涉及一种通过主轴内腔流通液氮直至中空刀具切削刃附近细孔喷出，实现深冷低温切削的数控钻铣床主轴装置。
【背景技术】
[0002]随着现代制造业的不断发展，利用数控机床精密加工难加工材料、复杂结构零件已很普遍，精密加工技术的重要性日益凸显。数控机床作为制造业的重要装备，也面临了新时代的机遇和挑战。提高数控机床加工精度稳定性、加工效率，减少刀具磨损是提高数控机床产品质量、增强市场竞争力的关键所在。而控制数控机床切削温度问题成为了其发展的关键。切削液则是控制切削温度与改善切削环境的重要手段。切削液包括水基和油基两大种类，但对于难加工材料的精密加工，普通切削液的降温方式达不到精密切削的要求。利用低温下材料物理化学性质，通过深冷低温切削可改变材料切削性能，液氮切削液的应用可以达到难加工材料精密切削、延长刀具寿命的目的。
[0003]对于数控机床切削液系统来说，液氮供液方式从形式上可分为外喷式和内喷式两大类，其中外喷式是当前的主要方式。外喷式液氮供液系统与机床主轴是各自独立的，在机床切削区刀具切削同时，外置喷嘴将液氮喷于被切削工件表面。虽然这种方式结构简单，易于构建，但为了防止喷嘴对切削刃的干涉影响，喷嘴离切削面距离较远，影响了液氮的冷却效果。此外，对于复杂结构工件，分离的喷嘴和刀具不能方便协同进入内部切削区，喷嘴不能有效供液，影响了切削效果和液氮利用率，达不到精密切削的要求。上海电气电站设备有限公司，在原有内喷式切削液主轴系统上开发了包括机床主轴、刀排套筒和刀具的刀具内冷却结构，并申请了国内专利，申请号201020515879，发明名称:刀具内冷却结构。该装置能有效提高刀具加工产品的质量、减少刀具的磨损、延长刀具的使用寿命，提高工作效率，但是该装置只能以常规切削液作为冷却液，达不到加工难切削材料、保证切削精度、提高刀具寿命的要求。
【发明内容】
[0004]本发明主要解决的技术问题是克服上述内置式普通切削液系统的不足，发明了一种高精度数控机床液氮内喷式主轴装置，该装置能够实现液氮切削液刀具内喷功能，缩小了喷嘴与切削区距离，提高了加工工件范围和液氮利用率，实用性强，采用通用数控机床主轴设计理念，从而保证了主轴结构和零部件设计的标准化、刀具的通用化，以及后期所开发设备的系列化。
[0005]本发明所采用的技术方案是:液氮内喷式数控钻铣床主轴装置，其特征是，主轴装置由主轴组件I，液氮绝热管组件II,拉钉组件III组成；其中:
[0006]主轴组件I中的主轴1.1为中空形状，液氮绝热管组件II中的两个轴承2.3分别套装到两个轴承紧定套2.4上，两个紧固螺母2.2分别旋扭到两个轴承紧定套2.4锥面外螺纹上，再通过轴承2.3外圈将这两个轴承紧定套2.4的组合件分别安装在主轴1.1中心孔两端肩面上；真空绝热硬管2.1由主轴右端孔插入，贯通两个轴承紧定套2.4，并使真空绝热硬管2.1处于确定的轴向位置，利用紧固螺母2.2内螺纹与轴承紧定套2.4外螺纹旋合，将轴承紧定套2.4固定在真空绝热硬管2.1固定位置上；真空绝热硬管2.1由内外两组钢管组合而成，两者间的空腔做真空处理，并填充起绝热功能的真空绝热硬管填充物2.5。
[0007]拉钉组件III中两锥齿轮3.8对称安装于刀具连接架3.6两个外圆孔中，通过内槽滚珠3.9旋转和限制轴向移动，两锥齿轮3.8通过螺钉和压盖3.7与刀具连接架3.6固定；由轴承垫圈3.5分隔开的两个同型号轴承3.4和伞齿轮3.3由拉钉3.1左端顺次套入，最后套入紧固螺母3.2，并使其与拉钉3.1外螺纹旋紧固定；两个密封圈3.10安装于拉钉3.1右端内孔槽中，拉钉端盖3.11通过螺栓固定于拉钉3.1右端面上；将上述拉钉组合体通过轴承3.4外圈沿刀具连接架3.6右侧装入刀具连接架3.6内孔中；两锥齿轮3.8与伞齿轮3.3相啮合，刀具连接架3.6通过螺栓固定在主轴1.1前端面上，真空绝热硬管2.1的前端穿过密封圈3.10插入拉钉3.1的孔中。
[0008]本发明的有益效果是解决了现有外喷式液氮切削液装置复杂结构工件液氮不便输送的难题，消除了液氮利用率低的缺陷；解决了普通内置式切削液系统实现内喷液氮切削液的问题，保证了机床加工难加工材料的加工精度，提高数控机床加工范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1一主轴结构图，其中:1.1-主轴，1.2-前支撑轴承，1.3-主轴套筒，1.4-后支撑轴承，1.5-垫圈，1.6-轴承紧固螺母，1.7-同步带轮键，1.8-同步带轮，1.9-同步带紧固螺母，1.10-轴承压盖，1.11-主轴箱，2.1-真空绝热硬管，2.2-紧固螺母，2.3-轴承，
2.4-轴承紧定套，2.5-真空绝热硬管填充物，3.1-拉钉，3.2-紧固螺母，3.3-伞齿轮，
3.4-轴承，3.5-轴承垫圈，3.6-刀具连接架，3.7-压盖，3.8-锥齿轮，3.9-滚珠，3.10-密封圈,3.11-拉钉端盖。
[0010]图2—液氮输送管路图，其中:1-杜瓦罐，2-低温电磁阀，3-低温流量调节阀，4-真空绝热软管，5-低温软硬管接头，6-支架，7-真空绝热硬管，8-主轴箱，9-刀具连接架，10-刀柄。
【具体实施方式】
[0011]下面结合附图和技术方案详细说明本发明的【具体实施方式】:数控机床液氮内喷式供液方法是对机床主轴进行改造，切削液系统与机床主轴合为一体，将液氮输送真空绝热硬管贯通中空主轴内腔，与中空拉钉相连通，拉钉再与中空刀具刀杆相连，液氮由刀具切削刃附近细孔喷出。喷嘴与切削面距离可达到Irnm以内，液氮喷出时大部分还处于液态，提高了液氮利用率，通过控制液氮流量来控制切削区瞬间温度。切削液系统与主轴的合并，使得复杂结构工件内腔液氮低温精密切削成为可能。但该装置中的高速旋转主轴与静止真空绝热硬管的连接协调性、管路动密封性、拉钉刀柄连接方式及保温效果对该装置可靠运行和切削区供液效果有很大的影响。
[0012]为了实现液氮内喷式主轴在保证主轴精度的前提下，又能够对切削材料表面喷射液氮降温，提高工件切削性能，在性能上要求图1中真空绝热硬管2.1与拉钉3.2和拉钉与刀柄联接部位的动密封要保证最少的液氮泄露量，保证刀具微孔足够的喷射压力，保证拉钉在低温冰冻条件下能够正常换刀，需要联接部位的动密封效果达到一定要求。真空绝热硬管2.1由内外两组钢管组合而成，其中，细管中通液氮，粗管套装在细管外部，并保持同轴，两端封闭留有接头，同时两者间的空腔做真空处理，并填充起绝热功能的真空绝热硬管填充物2.5。
[0013]附图1中的主轴装置由主轴组件I，液氮绝热管组件II，拉钉组件III组成；主轴组件I固定于主轴箱上，其他装置依次安装在主轴组件I上，主轴组件I中前后支撑轴承1.2,1.4外圆安装于主轴箱1.11轴承座中，内圆安装在主轴1.1两轴颈上，中间用主轴套筒1.3限定轴向位置，两端用轴承紧固螺母1.6和轴承压盖1.10固定；两后支撑轴承1.4间用垫圈1.5间隔；前后轴承压盖1.10由螺栓固定于主轴箱上，同步带轮1.8由同步带轮键1.7与主轴连接，将电机扭矩传给主轴，端面由同步带紧固螺母1.9固定于主轴上，见图1所示。
[0014]在结构上要求以主轴前后轴颈中心连线作为基准，其他如真空绝热硬管、拉钉和回转刀具轴线都以这一中心线为基准在同一轴线上，确保刀具回转精度，防止刀具径向跳动，减少加工误差，采用的实施方法具体步骤如下:
[0015]1、主轴1.1前后轴径中心连线作为主轴回转转中心线和定位基准线，刀具连接架
3.6端面与主轴1.1端面面接触，同时锥面与主轴1.1锥孔面接触，实现过定位，达到同轴度要求；
[0016]2、拉钉3.1外圆与轴承3.4内圆过渡配合,轴肩与轴承端面面接触,外圆与刀具连接架3.6内孔面过渡配合且轴承端面与刀具连接架3.6内孔轴肩面接触，实现拉钉3.1与刀具连接架3.6同轴度要求；
[0017]3、刀具组件中的刀柄锥面与刀具连接架3.6锥孔面接触，同时两端面接触，实现过定位,达到同轴度要求；
[0018]4、真空绝热硬管2.1依靠与主轴1.1保持同轴度的两轴承2.3，达到与主轴1.1同轴度要求；
[0019]5、密封圈3.10内圆与插入其中的真空绝热硬管2.1左端细管外径紧密贴合，实现动密封，并与拉钉3.1孔保持最小间隙。
[0020]该装置操作方式如下:
[0021]1、如图1所示,通过旋扭锥齿轮3.8带动相哨合的伞齿轮3.3驱动拉钉3.1旋转，提拉刀杆轴向移动，达到拉紧刀具目的；反方向旋扭锥齿轮3.8带动相啮合的伞齿轮3.3驱动拉钉3.1同时旋转，推动刀杆沿轴向刀头方向移动，达到拆卸刀具的目的；
[0022]2、主轴电机经皮带轮带动同步带轮1.8,后经同步带轮键1.7将扭矩传给主轴
1.1，主轴1.1经刀具连接架3.6传给机床刀具；
[0023]3、除液氮绝热管组件II中的轴承2.3外圈随主轴组件I转动外，该组件中其他零件保持静止状态；
[0024]4、图2中液氮由杜瓦罐I出口经低温绝热软管4、低温电磁阀2、低温流量调节阀3后，由安装在主轴箱8上的支架6上的低温软硬管接头5导入真空绝热硬管7中，并进入主轴内腔，之后通过刀具连接架9进入中空刀柄10中，最后由刀具刀头细孔喷出。
[0025]本发明提高难切削材料复杂结构工件的切削性能，消除了液氮外喷式切削液系统对于机床切削复杂结构工件的干涉影响，提高了切削精度。采用内喷式液氮输送系统，切削冷却同步性好、液氮利用率高、成本低廉、使用方便。该装置可以很有效的用于数控机床主轴切削工作，实现难加工材料典型工件的优质高效切削加工。
【权利要求】
1.液氮内喷式数控钻铣床主轴装置，其特征是，主轴装置由主轴组件(I)，液氮绝热管组件(II)，拉钉组件(III)组成；其中: 主轴组件(I)中的主轴(1.1)为中空形状，液氮绝热管组件(II)中的两个轴承(2.3)分别套装到两个轴承紧定套(2.4)上，两个紧固螺母(2.2)分别旋扭到两个轴承紧定套(2.4)锥面外螺纹上，两个轴承紧定套(2.4)分别安装在主轴(1.1)中心孔两端肩面上；插入到主轴中心孔的真空绝热硬管(2.1)，贯通两个轴承紧定套(2.4)，通过紧固螺母(2.2)内螺纹与轴承紧定套(2.4)外螺纹旋合，将轴承紧定套(2.4)固定在真空绝热硬管(2.1)固定位置上；真空绝热硬管(2.1)由内外两组钢管组合而成，两者间的空腔做真空处理，并填充有绝热功能的真空绝热硬管填充物2.5 ； 拉钉组件(III)中两锥齿轮(3.8)对称安装于刀具连接架(3.6)两个外圆孔中，通过内槽滚珠(3.9)旋转和限制轴向移动，两锥齿轮(3.8)通过螺钉和压盖(3.7)与刀具连接架(3.6)固定；由轴承垫圈(3.5)分隔开的两个同型号轴承(3.4)和伞齿轮(3.3)由拉钉(3.1)左端顺次套入，最后安装紧固螺母(3.2)，并使其与拉钉(3.1)外螺纹旋紧固定；两个密封圈(3.10)安装于拉钉(3.1)右端内孔槽中，拉钉端盖(3.11)通过螺栓固定于拉钉(3.1)右端面上；将上述拉钉组合体通过轴承(3.4)外圈沿刀具连接架(3.6)右侧装入刀具连接架(3.6)内孔中；两锥齿轮(3.8)与伞齿轮(3.3)相啮合，刀具连接架(3.6)通过螺栓固定在主轴(1.1)前端面上，真空绝热硬管(2.1)的前端穿过密封圈(3.10)插入拉钉(3.1)的孔中。
【文档编号】B23B19/02GK103962584SQ201410182721
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】王永青, 王凤彪, 刘海波, 张金豹, 郭立杰, 张余升, 任斐, 郭东明, 佟宇, 康仁科 申请人:大连理工大学