五轴加工双外壳机床的镗孔方法及五轴加工双外壳机床

摘要

滑动环容纳在冲头(34)中。所述滑动环包括固定部(72)和可移动部(73)，所述固定部具有连接至电源的馈给元件，所述可移动部电连接至所述馈给元件。可移动部(73)包括用于向转轴单元(100)以及转轴头(118)的电气设备供电的接触件(75)。在确定溜板座(32)的沿Y轴方向的位置以及加工台的沿X轴的方向的位置之后，确定转轴头(118)绕所述C轴的位置。然后，在转轴单元(100)绕所述C轴转动的情况下，使得冲头(34)沿所述Z轴方向移动，利用附接至转轴头(100)的非旋转切削刀具(170)在所述加工台上的工件(W)中镗出孔。

说明书

技术领域

本发明涉及通过五轴加工双外壳机床对工件进行镗孔的方法，以及五轴加工双外壳机床。

背景技术

通常，一般使用大尺寸的车床来车削大的工件。然而，若工件的平衡不佳，则该工件的转速受到限制。这要求进给率之类的切削速度条件有极大的降低。为了解决这一缺陷，可在工件上附接一个配重以改善平衡。然而，这一对策由于在工件旋转时增加了配重而使得能量消耗增大，也限制了工件的重量。

以下，将描述车削大工件的现有技术。

图12所示的工件W系重量为1160kg的大工件。要通过镗孔形成的孔Wa的加工直径为730mm。

当使得工件W绕着中心O1(其偏离工件W的重心O)回转而对其进行加工时，工件W的最大摆动直径为图12所示的2330mm(离中心O1的半径为1165mm)。在工件W的例子中，由于重心O的位置离开回转中心有237mm，因此，工件W的旋转是不平衡的。

为了执行这一加工，必须要用极大的立式车床。换言之，工件W的车削需要由不一样的大立式车床进行，这会极大地增加整体加工时间。

因此，为了避免这一车削加工方法，进行如图13所示的环状加工。所述环状加工系指使得固定至台上的工件W沿孔Wa移动同时旋转端铣刀这一加工方法。环状加工允许使用同一机床对要进行加工的工件W的其他部分进行加工。然而，相比车削加工方法，环状加工的加工精度较差。

如前所述，一般地，使用下列方法对难以旋转的大工件进行加工。即，通过端铣刀对这一工件进行环状加工，这牺牲了加工精度和被加工表面。还使用卧式镗床对该工件进行车削加工，或者在考虑必然产生的不平衡的情况下，利用大的立式车床使得该工件旋转而进行镗孔加工。换言之，切换加工方法，这要求每次都进行工件和机床的设置。

专利文献1揭露了通过卧式镗床进行的镗孔。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：第58-28408号日本专利公开

发明内容

本发明要解决的问题

因此，本发明的一个目的是提供一种通过五轴加工双外壳机床对工件进行镗孔的方法以及五轴加工双外壳机床，其在不牺牲加工精度和被加工表面的情况下，不必转变加工方式，换言之，能够对固定至加工台的大工件进行加工的方法和机床。

解决问题的手段

为了达成上述目的，提供了一种通过五轴加工双外壳机床对工件进行镗孔的方法。所述机床包括：可沿水平延伸的X轴相互作相对移动的加工台和双外壳柱；固定于Z轴或者可沿Z轴上下移动的横导轨，所述Z轴沿所述柱垂直延伸；可沿Y轴移动的溜板座，所述Y轴在所述横导轨上沿水平方向延伸；支撑至所述溜板座以可沿所述Z轴上下移动的冲头；附接至所述冲头的下端以可绕C轴回转的转轴单元，所述C轴为所述冲头的轴线；及附接至所述转轴单元以可绕B轴回转的转轴头，所述B轴垂直于所述C轴。所述方法还包括在确定所述溜板座的沿所述Y轴方向的位置以及所述加工台的沿所述X轴的方向之后，在所述转轴单元绕所述C轴回转的情况下，使得所述冲头沿所述Z轴方向移动；并且利用附接至所述转轴头的非旋转切削刀具，在所述加工台上的工件中镗孔，通过绕所述转轴头的B轴的位置确定所述孔的加工直径。

根据这一形态，所述五轴加工双外壳机床通过使得转轴单元绕C轴回转而进行镗孔，这允许要加工的工件在被固定的情况下进行车削。由此，在不转变为另一种特殊机床以避免工件不平衡的情况下，能够达成大工件的高精度和高质量。并且，可通过调节转轴头绕B轴的位置而改变孔的加工直径。由此，与恒定加工直径的镗孔方法不同，可通过改变程序而形成不同直径的孔。

当冲头沿Z轴方向移动时，最好使得转轴头绕B轴旋转以改变工件的加工直径。

根据这一形态，与恒定加工直径的镗孔方法不同，可通过改变程序而容易地改变孔的加工直径，允许形成各种形状的孔，例如，锥形孔。

当通过在冲头沿Z轴方向移动的同时使得转轴头绕B轴旋转而改变工件的加工直径时，最好根据在所述转轴头绕所述B轴旋转时所述非旋转切削刀具的切削头沿所述Z轴方向的移动量修正所述冲头的沿所述Z轴方向的移动量。

根据这一形态，转轴头可适当地沿Z轴移动。

根据本发明的一种五轴加工双外壳机床，包括：可沿水平延伸的X轴相互作相对移动的加工台和双外壳柱；固定于Z轴或者可沿Z轴上下移动的横导轨，所述Z轴沿所述柱垂直延伸；可沿Y轴移动的溜板座，所述Y轴在所述横导轨上沿水平方向延伸；支撑至所述溜板座以可沿所述Z轴上下移动的冲头；附接至所述冲头的下端以可绕C轴回转的转轴单元，所述C轴为所述冲头的轴线；及附接至所述转轴单元以可绕B轴回转的转轴头，所述B轴垂直于所述C轴。滑动环容纳在所述冲头中。所述滑动环包括固定部和可移动部，所述固定部具有连接至电源的馈给元件，所述可移动部电连接至所述馈给元件。所述可移动部包括用于向所述转轴单元以及所述转轴头的电气设备供电的接触件。所述可移动部可绕所述C轴枢转360度或以上。所述转轴头具有非旋转切削刀具。

这一形态提供了一种可直接用于上述通过五轴加工双外壳机床对工件进行镗孔的方法的五轴加工双外壳机床。

根据本发明的一种五轴加工双外壳机床，包括可沿水平延伸的X轴相互作相对移动的加工台和双外壳柱；固定于Z轴或者可沿Z轴上下移动的横导轨，所述Z轴沿所述柱垂直延伸；可沿Y轴移动的溜板座，所述Y轴在所述横导轨上沿水平方向延伸；支撑至所述溜板座以可沿所述Z轴上下移动的冲头；附接至所述冲头的下端以可绕C轴回转的转轴单元，所述C轴为所述冲头的轴线；及附接至所述转轴单元以可绕B轴回转的转轴头，所述B轴垂直于所述C轴。滑动环容纳在所述冲头中。所述滑动环包括固定部和可移动部，所述固定部具有连接至电源的馈给元件，所述可移动部电连接至所述馈给元件。所述可移动部包括用于向所述转轴单元以及所述转轴头的电气设备供电的接触件，所述可移动部可绕所述C轴枢转360度或以上。附接件可取下地附接至所述转轴头的端部，并且所述附接件中设有非旋转切削刀具。

这一形态提供了一种可直接用于上述通过五轴加工双外壳机床对工件进行镗孔的方法的五轴加工双外壳机床。

附图说明

图1为示出根据本发明实施例的五轴加工双外壳加工中心的立体示意图；

图2为示出转轴单元外观的立体图；

图3为示出转轴单元的剖视图；

图4为示出冲头的局部剖视图；

图5为示出滑动环的示意图；

图6为示出转轴的部分放大图；

图7为示出控制单元的电气框图；

图8为示出加工中心操作的图示；

图9(a)为示出根据另一实施例的转轴单元的主视图；

图9(b)为示出转轴单元的侧视图；

图9(c)为示出转轴单元的仰视图；

图10(a)为示出附接件的平面图；

图10(b)为示出附接件的剖视图；

图10(c)为示出附接件的主视图；

图10(d)为示出附接件的侧视图；

图11为示出加工中心操作的图示；

图12为示出工件的平面图；及

图13为示出现有镗孔操作的图示。

具体实施方式

现参考图1～7描述根据本发明的五轴双外壳机床，其为根据一实施例的加工中心20。

如图1所示，加工中心20包括设在底座22上的加工台24。加工台24由图7所示的X轴驱动电机Mx致动，以沿着X轴(加工台24的侧向和长度方向)移动，而工件W安装于其上。

双外壳柱28从柱底26向上延伸。柱28具有横导轨30。横导轨30由柱28进行导向，并且由如7所示的W轴驱动电机Mw致动，以沿着W轴(其为与垂直延伸的Z轴方向相同的方向)上下移动。溜板座32设在横导轨30上。溜板座32可通过如图7所示的Y轴电机My致动的滚珠丝杠(未示)沿着水平延伸的Y轴移动。冲头(ram)34附接至溜板座32，以通过由Z轴驱动电机Mz致动的滚珠丝杠(未示)上下移动。转轴单元100设在冲头34的下端。

自动换刀器(ATC)单元50设在双外壳柱28的一侧。控制单元36和由操作者进行操作的主控制面板38之类的设备设在底座22的附近。

如图2所示，转轴单元100具有用于附接至冲头34的下端的附接凸缘102，以及与附接凸缘102连成一体的外壳104。如图4所示，附接凸缘102经由轴承48附接至转轴单元100，从而可绕C轴转动。冲头34容纳C轴驱动电机110，其由固定至如图4所示壳体40的定子42和固定至附接凸缘102的转子44形成。转轴单元100由C轴驱动电机110致动，以绕冲头34的轴线C轴回转。液压制动器46设在电机44与壳体40之间。液压制动器46能够使得旋转的转子44停止，并且保持住转子44。

如图4所示，旋转管60一体固定至附接凸缘102的上中心。旋转管60穿过如图4所示的定子42，并且与附接凸缘102一体绕着转轴单元100的C轴转动。由电线或母线(busbar)形成的多根电力线62插入旋转管60。旋转管60中的各电力线62向转轴单元100中的各种类型的电气设备供电，诸如B轴驱动电机156和转轴电机130。

如图5所示，旋转管60中的电力线62连接至放置于冲头34中的滑动环70的可移动部73。为了便于图示，图5仅示出了一部分的电力线。

如图5所示，滑动环70包括固定至冲头34的固定部72以及绕着C轴相对于固定部72转动的可移动部73。固定部72具有绝缘性质，并且形成为带有盖子的圆柱体。在固定部72上垂直地设有多个馈给元件76(电刷)。

馈给元件(feed element)76包括用于供给连接至电源(未示)的电力的馈给元件，也包括用于发送控制信号的馈给元件。信号发送馈给元件发送控制信号，例如，从控制单元36发送至各种电气设备(例如，安装在转轴头100上的转轴电机130和B轴驱动电机156)的命令信号。

可移动部73包括一个绝缘柱74以及多个从绝缘柱74径向延伸出来的导电接触件75。接触件75包括与用于供电的馈给元件76电接触的接触件，以及与用于发送控制信号的馈给元件76接触的接触件。绝缘柱74由可绕C轴枢转的固定部72支撑。

电力线62插入绝缘柱74中，并且与用于供给电力的接触件75电连接。用于供给电力的接触件75由用于供给电力的馈给元件76(电刷)按压，从而电连接至该馈给元件76。尽管图中未示，信号线也插入绝缘柱74，并且与用于发送控制信号的接触件75电连接。用于发送控制信号的接触件75也由用于发送控制信号的馈给元件76(电刷)按压，从而电连接至馈给元件76。为了便于图示，图4和5中未示出信号线，并且仅示出了用于供给电力的电力线62。

滑动环70经由电力线62和信号线向B轴驱动电机156、C轴驱动电机110、及转轴单元100中的各种电气设备供给电力及控制信号。滑动环70允许转轴单元100旋转360度，或更大的角度。

如图3所示，转轴单元100的外壳104的下端处形成一对叉部106。转轴头118支撑在可绕垂直于C轴的B轴转动的叉部106之间。

转轴头118包括转轴头壳体120和转轴124(主轴)，转轴124由转轴头壳体120和轴承122可枢转地支撑。转轴头壳体120容纳转轴电机130，其包括固定至转轴头壳体120的定子126以及固定至转轴124的转子128。转轴电机130驱动转轴124，以使转轴124绕其轴转动。

如图6所示，转轴124的末端处形成有转轴锥形部132。孔134穿过转轴锥形部132。孔134中设有公知的刀具夹紧装置136，以可沿着转轴轴线S移动。图6中，为了便于图示，转轴轴线S的右侧示出了刀具K附接至刀具夹紧装置136的状态，而转轴轴线S的左侧示出了刀具K正在附接至刀具夹紧装置136或与之分离的状态。

牵引螺栓Ka设在刀具K的柄部的近侧端。显示在处于转轴轴线S右侧的刀具夹紧装置136将配合在转轴锥形部132中的刀具K的牵引螺栓Ka牵引和固定。显示在处于转轴轴线S左侧的刀具夹紧装置136允许刀具K的柄部上的牵引螺栓Ka分离或附接。

转轴头壳体120上与转轴124的下部相对应的部分设有连接装置140。连接装置140包括固定至转轴头壳体120的固定连接件142，固定至转轴124的旋转连接件144，以及可移动连接件146。可移动连接146利用液压朝向固定连接件142移动，以使得固定连接件142与旋转连接件144相互连接。

固定连接件142形成为直径较大的环。旋转连接件144的直径小于固定连接件142，并且与固定连接件142同轴。

转轴轴线S的右侧示出这样的状态，即，可移动连接件146使得固定连接件142和旋转连接件144相互连接在一起。这一连接状态下，转轴124无法枢转。

当未接收液压力时，可移动连接件146通过弹簧(未示)的推动力与固定连接件142分离。这允许转轴123旋转。图6中，转轴轴线S的左侧示出了这一状态。

如图3所示，一对共轴的轴部148和150从转轴头壳体120的两侧凸出。轴部148和150通过轴承152和154支撑至外壳104，以绕B轴回转。

B轴驱动电机156容纳在外壳104中。齿轮158附接至B轴驱动电机156的输出轴。齿轮158与设在附近的辊子齿轮凸轮160啮合。辊子齿轮凸轮160与附接至轴部150的凸轮随动件162啮合。当B轴驱动电机156旋转时，转轴头118通过轴部150绕B轴回转。

尽管图中未示，用于向转轴电机130和容纳在转轴头壳体120中的电气设备供电的电力线62通过轴部148被拉入转轴头壳体120。

制动活塞164设在外壳104中的轴部148的附近。制动活塞164通过液压力移动，以与附接至轴部148的制动盘166接触。通过以此方式使得制动活塞164起作用，转轴头118的回转位置得以固定和保持。当施加的液压力撤销时，制动活塞164松开制动盘166，藉此允许转轴头118旋转。

如图7所示，控制单元36具有主控制部210，其为CPU。主控制部210经由总线205连接至加工程序存储器220、系统程序存储器230、缓存存储器240、加工控制部250、具有键盘的主控制面板38、及具有液晶显示器的显示部260。

主控制部210通过总线205还连接至W轴控制部270、X轴控制部280、Y轴控制部290、Z轴控制部300、B轴控制部310、C轴控制部320、及转轴控制部330。W轴控制部270、X轴控制部280、Y轴控制部290、Z轴控制部300、B轴控制部310、及C轴控制部320从主控制部210将用于各个轴输出的移动命令输出到驱动电路272、282、292、302、312、322。收到所述移动命令时，所述驱动电路驱动所述轴的电机Mw、Mx、My、Mz、156、110。

主控制部210通过总线205还连接至液压控制部340，其控制用于驱动连接装置140和制动活塞164之类装置的液压回路。液压控制部340控制连接装置140和制动活塞164之类的装置。

接收到从主控制部210发出的旋转命令时，转轴控制部330通过驱动电路332使得转轴头118的转轴电机130旋转。

现描述使用上述加工中心20在工件W中镗孔的方法。

为了便于表述，图8示出了ACT单元50(见图1)使用具有切削头172的非旋转切削刀具170代替刀具K的状态。即，非旋转切削刀具170附接至转轴头118的柄部的末端，如图8所示。与图6所示的刀具K的情况一样，非旋转切削刀具170具有位于柄部近侧端的牵引螺栓Ka。非旋转切削刀具170通过将牵引螺栓Ka夹紧至刀具夹紧装置136而附接至转轴124。在附接非旋转切削刀具170的情况下，可移动连接件146使得固定连接件142和旋转连接件144相互连接，以使转轴124锁定而无法枢转。

根据存储在加工程序存储器220中的加工程序，由主控制部210按顺序执行下述镗孔加工。图8所示的工件W固定在加工台24上。工件W具有与图12所示的工件W类似的中心O1。

当驱动图7所示的X轴驱动电机Mx并且加工台24开始移动时，工件W的加工直径的中心O1(切削的中心)设为预定位置(步骤A)。所述预定位置是这样的位置，即，冲头34可移动至该位置而使得C轴，或者冲头34的轴线与中心O1对齐。

然后，驱动Y轴驱动电机My，以使溜板座32沿Y轴方向在横导轨30上移动，这样，Y轴上的该位置确定为C轴与中心O1(或该回转中心)重叠的位置(步骤B)。

然后，驱动B轴驱动电机156以使转轴头118绕B轴枢转预定的角度。由此，确定转轴头118的位置(步骤C)。根据由所述加工程序设定的值确定所述预定角度。

转轴头118枢转之后，驱动C轴驱动电机110，以使转轴单元100绕C轴回转(步骤D)。这一状态下，驱动Z轴驱动电机Mz，以使冲头34沿Z轴朝向工件W移动。

从而，让附接至转轴单元100的非旋转切削刀具170在加工台24上的工件W中镗出孔。因此，可在将工件W固定在加工台24上的同时使之旋转。即，可对大工件进行加工。

上文中的步骤次序为A～C。然而，所述次序不限于此。即，可同时进行步骤A、B及C中的任意两步，或者同时进行这三步。应考虑工件与刀具之间的干扰而恰当地确定次序。

上文中的步骤E中，冲头34沿Z轴方向朝向工件W移动。此时，转轴头118绕B轴枢转预定的角度。即，在保持回转角度的同时进行工件W的镗孔。然而，在冲头34根据加工程序沿Z轴方向朝向工件W移动的步骤E中，可改变转轴头118的绕B轴的回转角度。

例如，在图8的例子中，工件W中的孔具有锥形的表面Ta，以使孔的直径从上表面朝向下端减小。孔的下部直径不变。这一例子中，通过改变转轴头118绕B轴的回转角度以在冲头34沿Z轴方向朝向工件W移动的同时逐渐减小加工直径而进行锥形表面Ta的切削。在孔的下部中，将转轴头118的回转角度保持为某一值而进行车削。

由此，与固定加工直径的镗孔加工不同，通过根据程序自由改变加工直径，本实施例能够形成锥形孔之类的直径不同的孔。

当在工件W的下部而不是上部形成较大直径的孔时，可以在有利条件下使用切削头172镗出这样的孔。

当通过在冲头34沿Z轴移动的同时使得转轴头118绕B轴旋转(回转)而改变工件W的加工直径时，需要根据在转轴头118绕B轴旋转时非旋转切削刀具170的切削头172的移动量修正冲头34的沿Z轴的移动量。

具体地，以下列方式计算与Z轴方向的移动量相关的修正量。

图8所示的尺寸关系形成表达式(1)和(2)。当B轴从一个沿C轴的位置(或B轴的0度位置)旋转角度θ，车削直径(即，加工直径)为D。B轴的回转生成沿Z轴方向的移动量ΔZ。这一移动量ΔZ需用修正量进行补偿。当B轴从图8所示的位置向下回转角度θ，长度延伸了移动量ΔZ。图8中，“起始”为已在冲头34中适当设定的位置。

完成的加工尺寸D由下列表达式表达。

D＝((L1+L2)×sinθ+r1×cosθ)2…(1)

由下列表达式表达沿Z轴的刀刃位置修正量ΔZ。

ΔZ＝Z0-Z1

＝((L1-L2)×(1-cosθ)+r1×sinθ)…(2)

其中：

D为完成的加工尺寸；

L1为刀具长度；

L2为B轴旋转中心与转轴端面之间的距离；

r1为转轴中心与刀刃之间的距离；

θ为B轴的控制角；

Z0为当B轴处于0度位置时刀刃的位置；且

Z1为B轴回转后刀刃的位置。

主控制部210将修正量与沿Z轴方向的移动命令结合，即，将修正量与移动命令相加，或者从移动命令减去修正量，然后将移动命令发送至Z轴控制部300。

根据表达式(1)，主控制部210根据如下的表达式(3)获得值θ，其为要发送至B轴控制部310的移动命令(即角度命令值)。

$\theta =-\alpha +{\sin }^{-1}\frac{D}{2R}...\left(3\right)$

其中：

$\left(\begin{array}{cc}\sin \alpha =\frac{r1}{R}& \cos \alpha =\frac{L1+L2}{R}\end{array}\right)$

$R=\sqrt{{(L1+L2)}^2+{r1}^2}$

R为B轴旋转中心与刀刃之间的距离；且

α为由刀具和刀刃的中心界定的角度。

根据值θ，主控制部210向B轴控制部310输出角命令值。

以此方式，当通过在冲头34沿Z轴移动的同时使得转轴头118绕B轴旋转而改变工件W的加工直径时，根据当转轴头118绕B轴旋转时非旋转切削刀具170的切削头172的移动量来修正冲头34的沿Z轴的移动量。这允许转轴头118适当地沿Z轴方向移动。

现参考图8～11描述其他实施例。与上述实施例的相应组件类似或相同的组件给予类似或相同的标号，并且省略其详细说明。现对不同的组件进行说明。

如图8所示，前述实施例中，非旋转切削刀具170直接附接至图6所示的转轴124。然而，附接件350可取下地连接至转轴头118的端面，并且非旋转切削刀具170可附接至附接件350。

如图9(a)～(c)所示，转轴头118的端面116(即，在头端上)上绕转轴124的四个角上具有四个夹紧装置180。

另一方面，如图9(a)～(c)和图10(a)～(d)所示，附接件350具有形状为立方体的附接部354，所述附接部354带有与转轴头118的端面形状相吻合的附接端面352，并且附接件350还具有形状为矩形管的刀具附接部356，所述刀具附接部356设在附接端面352的相对侧并且容纳非旋转切削刀具170。

如图11所示，非旋转切削刀具170固定至刀具附接部356，这样，当附接件350附接至转轴头118时，图6所示的转轴124的轴线与非旋转切削刀具170的轴线平行。如图11所示，刀具附接部356配置为，当附接件350附接至转轴头118时，图6所示的转轴124的轴线与非旋转切削刀具170的切削头172的刀刃之间偏移的量大于前述实施例中偏移的量。如图10(a)所示，本实施例在附接部354的附接端面的四个角上设有四个夹紧座358。

夹紧装置180和夹紧358的数量不受限制，但最好是多个。

然后，如图11所示，附接件350通过使得附接端面352(见图10(a))与转轴头118的端面116(见9(a)～(c))形成接触，并且使得图10(a)所示的夹紧座358由转轴头118的夹紧装置180夹紧，而附接至转轴头118。当夹紧装置180的夹紧撤销时，可从转轴头118上取下附接件350。

本实施例配置为允许以与前述实施例相同的方式对工件W进行镗孔。

在具有如本实施例的附接头的情况下，转轴124(主轴)的中心与切削头172的刃尖之间的距离r1(在表达式(1)、(2)及(3)中的)设为大于前述实施例的值。由此，可减小镗孔操作中切削刃角度的变化。

在上述各实施例中，用于致动连接装置140和制动活塞164的液压回路可由气动回路代替。

在上述各实施例中，横导轨30可沿W轴方向移动。然而，横导轨30可为无法沿W轴方向移动，而仅有冲头34可沿Z轴相对于溜板座32移动。

标号说明

24…加工台，28…柱，30…横导轨，32…溜板座

34…冲头，70…滑动环，72…固定部，75…接触件

76…馈给元件，100…转轴单元，118…转轴头

120…转轴头壳体，170…非旋转切削刀具

172…切削头，350…附接件