一种立卧转换摆角头的制作方法

本发明属于机加工设备技术领域，具体涉及一种立卧转换摆角头。

背景技术

随着我国现代制造业的不断发展和进步，对制造精度和生产效率的要求越来越高。传统的立式加工中心和卧式加工中心只能加工限定的加工面，而立卧转换式加工中心集立式加工中心和卧式加工中心的特点于一身，可一次装夹完成多达空间五面的加工，多坐标联动，自动化程度高，可加工各种复杂曲线和曲面。其中，立卧转换摆角头作为可以大幅度提高机床生产效率的一个关键部件，安装在加工中心上，很大程度上简化了加工过程，拓宽了加工中心的加工范围。

目前，在现有国内立卧转换的实现方案中，利用立卧自动转头(h/v铣头)是最先进、最快速的方式，可以实现很高的立卧转换速度和效率，提高整个机加工过程的自动化程度。然而，由于该立卧自动转头是由独立电机提供动力进行转化，这样就会增加整个传动的零件数量，使立卧自动转头的体积和质量增加，降低了整个机加工设备的紧凑型，而且过多的传动零件会引起传动精度的下降，导致加工精度的降低。

技术实现要素：

为了解决机加工设备中采用现有立卧自动转头时，存在体积大、质量大以及传动精度低的问题，本发明提出了一种全新的立卧转换摆角头。该立卧转换摆角头，包括输入轴、传动轴、主轴、箱体、主轴外壳、驱动单元、齿轮和齿圈；其中，所述箱体设有输入轴孔，所述输入轴位于所述输入轴孔内，并且所述输入轴的输入端与动力源连接，输出端与所述传动轴的输入端连接；所述主轴外壳设有传动轴孔和主轴孔；所述传动轴位于所述传动轴孔内，并且所述传动轴的输出端与所述主轴连接；所述主轴位于所述主轴孔内；所述驱动单元位于所述箱体与所述主轴外壳之间，用于控制两者之间沿所述传动轴的轴线方向距离；所述齿轮套设在所述传动轴上，所述齿圈位于所述传动轴孔内，所述齿轮与所述齿圈沿所述传动轴的轴线方向选择性啮合和脱离。

优选的，所述输入轴、所述传动轴以及所述主轴三者之间均采用锥齿轮连接，并且所述输入轴与所述传动轴之间夹角为135°，所述传动轴与所述主轴之间夹角为45°。

进一步优选的，所述齿轮与所述齿圈之间沿所述传动轴的轴线方向的啮合距离和脱离距离与所述传动轴与所述主轴之间锥齿轮的脱离距离和啮合距离相对应。

优选的，所述传动轴与所述传动轴孔之间设有传动轴套筒；所述传动轴套筒与所述传动轴之间通过轴承转动连接，所述传动轴套筒的端部与所述箱体固定连接。

进一步优选的，所述传动轴套筒与所述传动轴孔之间设有滑动隔套；所述滑动隔套与所述传动轴套筒滑动连接，并且所述滑动隔套与所述主轴外壳固定连接。

优选的，驱动单元包括油缸和活塞；其中，所述油缸的一端与所述箱体固定连接，另一端与所述箱体形成油腔；所述活塞的一端与所述主轴外壳固定连接，另一端位于所述油腔内。

优选的，该立卧转换摆角头还包括两个端面齿盘；其中一个端面齿盘与所述箱体固定连接，另一个端面齿盘与所述主轴外壳固定连接，两个端面齿盘与所述传动轴同轴设置并且两个端面齿盘的齿面相对。

优选的，该立卧转换摆角头还包括位移检测单元；所述位移检测单元与所述箱体固定连接，用于检测所述主轴外壳相对于所述箱体，沿所述传动轴的轴向方向移动距离。

进一步优选的，所述位移检测单元包括位移检测元件、探头和复位弹簧；其中，所述探头的一端与所述主轴外壳保持贴牢状态，所述探头的另一端伸至所述位移检测元件，所述复位弹簧套设在所述探头上并且两端分别与所述探头和所述位移检测元件接触。

优选的，所述主轴内部沿轴线方向设有拉刀爪子、碟簧、拉杆、拉杆头、控制活塞和控制油缸；其中，所述碟簧预压紧在所述拉刀爪子和所述拉杆头之间并且套设在所述拉杆上，所述控制油缸与所述主轴顶部的主轴端盖形成油腔，用于所述控制活塞沿所述主轴的轴线方向进行上下移动。

在机加工设备中采用本发明的立卧转换摆角头进行主轴立卧转换时，具有以下有益效果：

1、在本发明的立卧转换摆角头中，通过在传动轴和主轴外壳之间设置可选择性啮合和脱离的齿圈和齿轮以及在箱体和主轴外壳之间设置可沿传动轴轴线方向带动主轴外壳进行往复移动的驱动单元，从而可以借助传动轴驱动主轴外壳转动，实现主轴立卧转换操作。这样，在保持输入轴作为唯一动力源输入端的情况下，通过驱动单元的控制齿轮和齿圈在啮合和脱离之间切换即可分别实现主轴的转动加工和主轴的立卧转换，从而实现一个动力源对两个动作的驱动控制，避免了在现有技术中通过独立电机进行立卧自动转头动作驱动时时传动零件多、结构复杂、体积大和质量大的问题，从而提高了整个摆角头的结构紧凑型，提高了传动的精度，保证最终的加工质量。

2、在本发明中，通过将传动轴与主轴同时安装固定在主轴外壳内，将齿圈与主轴外壳固定连接，将齿轮与传动轴固定连接，并且利用驱动单元带动主轴外壳相对于传动轴进行移动。此时，在驱动单元进行齿轮和齿圈之间啮合和脱离的控制过程中，可以同步完成传动轴与主轴之间锥齿轮的脱离和啮合，使主轴立卧转换过程中的主轴脱离传动轴的驱动暂时停止转动。这样，不仅可以避免主轴立卧转换过程中，主轴继续转动时可能发生的安全隐患以及设备之间的磕碰损伤，从而提高立卧转换过程的安全性以及对设备的保护，而且可以将传动轴输出的动力全部输出至主轴外壳的转动，保证充足的动力进行主轴外壳的驱动，使主轴立卧转换过程顺利快速完成，提高操作效率。

附图说明

图1为本发明一种实施例中立卧转换摆角头的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细介绍。

结合图1所示，本实施例的立卧转换摆角头，包括输入轴1、传动轴2、主轴3、箱体4、主轴外壳5、驱动单元6、齿轮7和齿圈8。

箱体4上沿水平方向设有输入轴孔，输入轴1通过轴承、套筒和轴承套环固定在输入轴孔内，使输入轴1在输入轴孔内可以进行绕自身圆周方向的自由转动。输入轴1的输入端位于输入轴孔的外部，用于与动力源进行连接，例如主电机或减速器，输入轴1的输出端与传动轴2的输入端连接，从而带动传动轴2进行绕自身轴线圆周方向的转动。主轴外壳5上设有传动轴孔和主轴孔，其中，传动轴2通过轴承固定在传动轴孔内，主轴3通轴承、套筒、轴承挡圈和轴承端盖固定在主轴孔内，并且传动轴2的输出端与主轴3连接，从而由传动轴2带动主轴3进行绕自身轴线圆周方向的转动。驱动单元6位于箱体4与主轴外壳5之间，用于控制两者之间沿传动轴2的轴线方向距离。齿轮7套设固定在传动轴2上，齿圈8固定在传动轴孔内，并且齿轮7与齿圈8可以沿传动轴2的轴线方向进行选择性啮合和脱离。

在本实施例的立卧转换摆角头进行主轴转动加工时，首先由动力源驱动输入轴1进行转动；然后由输入轴1带动传动轴2在主轴外壳5中的传动轴孔内进行转动；最后由传动轴2带动主轴3在主轴外壳5中的主轴孔内进行绕自身轴线圆周方向的转动，从而实现主轴3的转动加工。

在本实施例的立卧转换摆角头进行主轴立卧转换时，首先启动驱动单元6，由驱动单元6推动主轴外壳5相对于箱体4进行沿传动轴2轴线方向的移动，使齿轮7和齿圈8接触并啮合连接；接着由动力源驱动输入轴1进行转动，而输入轴1则带动传动轴2在主轴外壳5中的传动轴孔内进行转动；然后通过齿轮7和齿圈8，使传动轴2再带动主轴外壳5相对于箱体4进行绕传动轴2轴线圆周方向的转动，此时由于主轴3位于主轴外壳5的主轴孔内，所以主轴3伴随着主轴外壳5进行同步转动，从而完成对主轴3的立卧转换。

优选的，结合图1所示，在本实施例的立卧转换摆角头中，输入轴1、传动轴2以及主轴3三者之间均通过锥齿轮9进行连接。其中，输入轴1和传动轴2上的锥齿轮9均通过螺栓固定在对应轴的端面上，而主轴3上的锥齿轮9则套设在主轴3长度方向的中间位置，并且借助主轴3自身的定位台阶和套筒进行位置固定。这样，采用锥齿轮作为传动结构不仅可以提高三者之间动力传输的平稳性，保证工作的精度，而且可以大大减小摆角头的体积和质量，提高整个摆角头的结构紧凑度。

与此同时，将输入轴1与传动轴2之间的夹角设定为135°，将传动轴2与主轴3之间的夹角设定为45°。这样，在保持输入轴1呈水平放置状态的情况下，可以实现主轴3沿竖直方向和水平方向之间的立卧转换，从而便于输入轴1与动力源沿水平方向的安装固定以及主轴3在水平方向和沿竖直方向之间的快速切换。

进一步优选的，将齿轮7与齿圈8之间沿传动轴2的轴线方向的啮合距离和脱离距离与传动轴2与主轴3之间锥齿轮的脱离距离和啮合距离相对应。例如，将齿轮7与齿圈8之间沿传动轴2的轴线方向距离设计为不小于传动轴2与主轴3之间锥齿轮的啮合长度。此时，在主轴外壳5沿传动轴2的轴线方向移动过程中，伴随着齿轮7和齿圈8的逐渐接触啮合，主轴3上的锥齿轮沿锥角方向与传动轴2的输出端锥齿轮逐渐脱离接触，并且当齿轮7与齿圈8完全接触啮合时，主轴3与传动轴2也完全脱离连接。这样，在传动轴2驱动主轴外壳5转动进行主轴3的立卧转换过程中，暂停传动轴2对主轴3的转动驱动，不仅可以避免立卧转换过程中，由于主轴3的持续转动而可能发生的安全隐患以及设备之间的磕碰损伤，从而提高立卧转换过程的安全性以及对设备的保护，而且可以将传动轴2输出的动力全部输出至主轴外壳5的转动，保证充足的动力进行主轴外壳5的驱动，使主轴立卧转换过程顺利快速完成，提高操作效率。

结合图1所示，在传动轴2与传动轴孔之间设有传动轴套筒10。传动轴套筒10的端部与箱体4通螺栓固定连接，并且传动轴套筒10与传动轴2之间通过轴承转动连接，从而对传动轴2的转动提供稳定支撑。这样，不仅可以通过传动轴套筒10对传动轴2与输入轴1之间的位置关系进行固定，保持传动轴2与输入轴1之间的稳定啮合连接，而且借助传动轴套筒10对传动轴2的支撑固定，可以提高传动轴2的结构强度，保证传动轴2转动过程中的稳定性，提高对主轴3进行转动加工驱动和对主轴外壳5进行立卧转换驱动时的精度，进而保证最终机加工的精度以及传动轴2的使用寿命。

进一步，结合图1所示，在传动轴套筒10与传动轴孔之间还设有滑动隔套11。其中，滑动隔套11的端面与主轴外壳5的端面通过螺栓固定连接，并且滑动隔套11与传动轴套筒10之间沿传动轴2的轴线方向滑动连接。这样，不仅可以利用传动轴套筒10对滑动隔套11的滑动过程进行辅助导向，提高主轴外壳5沿传动轴2进行轴向移动的精度，从而保证齿轮7与齿圈8之间接触啮合过程的准确性和平稳性，而且通过选用耐磨、光滑材质进行滑动隔套11的加工制造，可以降低主轴外壳5移动过程的阻力，提高驱动单元6对主轴外壳5驱动控制的灵活性，从而保证主轴外壳5移动距离的精度。

此外，通过在传动轴2和主轴外壳5之间设置传动轴套筒10和滑动隔套11，这样可以在长时间工作发生磨损后，通过单独进行传动轴套筒10或滑动隔套11的更换，即可持续保证传动轴2转动的稳定性和主轴外壳5沿传动轴2移动的准确性，从而降低设备后期维护使用成本。

优选的，结合图1所示，在本实施例中的驱动单元6采用液压控制结构，由油缸61和活塞62组成，油缸61和活塞62均选用圆环形结构并且与传动轴2的轴线同轴设置。其中，油缸61的一端与箱体4固定连接，另一端与箱体4构成沿圆周方向的环槽形油腔。活塞62的一端与主轴外壳5固定连接，另一端位于油缸61和箱体4之间的环槽形油腔内。这样，通过驱动活塞62在油腔内的往复移动，即可驱动主轴外壳5沿传动轴2的轴线方向进行平稳移动。同样，在其他实施例中，也可以根据箱体4和主轴外壳5的外形结构，油缸61和活塞62采用其他结构形式，以便于安装固定。例如，将驱动单元6设计为多个液压缸的组合形式，并且将多个液压缸沿传动轴2的轴线圆周方向均布固定，从而实现对主轴外壳5的平稳驱动。

结合图1所示，在立卧转换摆角头中，还设有两个端面齿盘12。其中一个端面齿盘12与箱体4固定连接，另一个端面齿盘12与主轴外壳5固定连接，两个端面齿盘12与传动轴2保持同轴设置并且两个端面齿盘12的齿面相对。其中，在本实施例中，端面齿盘12采用60°齿形角，齿数为72个并且等分为每齿5°，同时将两个端面齿盘12之间沿传动轴2的轴线方向进行啮合的距离尺寸设计为不大于齿轮7与齿圈8之间沿传动轴2的轴线方向距离。

此时，在进行主轴立卧转换，通过主轴外壳5移动使齿轮7与齿圈8接触啮合时，两个端面齿盘12之间同时脱离连接，使箱体4失去对主轴外壳5的定位固定，从而使主轴外壳5可以绕传动轴2进行圆周转动，顺利完成对主轴的立卧转换。在进行主轴转动加工，通过主轴外壳5的移动使齿轮7与齿圈8脱离接触时，两个端面齿盘12之间重新啮合，从而利用两个端面齿盘12上相互啮合的齿使箱体4再次对主轴外壳5的圆周方向进行定位固定，进而稳定主轴3上锥齿轮与传动轴2输出端锥齿轮之间的位置关系，提高传动轴2与主轴3之间的传动稳定性和精度，保证主轴转动加工的质量。

此外，结合图1所示，在本实施例的立卧转换摆角头中还设有一个位移检测单元13。位移检测单元13与箱体4固定连接，用于检测主轴外壳5相对于箱体4沿传动轴2的轴向方向移动距离，从而精准控制主轴外壳5的移动量，避免移动不到位或移动过量而发生磕碰损伤，进而提高控制的准确性。同时，还可以将位移检测单元13与驱动单元6进行关联设置，通过预先设定主轴外壳5的移动量，实现驱动单元6对主轴外壳5移动的自动化控制，从而进一步提高操作效率。

其中，在本实施例中，位移检测单元13包括位移检测元件131、探头132和复位弹簧133。其中，探头132的一端伸入油腔内与活塞62的端面贴牢接触，进而与主轴外壳5保持贴牢状态，探头132的另一端伸至位移检测元件131处，复位弹簧133套设在探头132上并且两端分别与探头132上的台阶和位移检测元件131接触，从而将探头132压向活塞62端。这样，在活塞62的往复移动过程中，通过活塞62与复位弹簧133对探头132相互作用力的平衡，使探头132伴随活塞62进行往复移动，从而通过位移检测元件131对探头132位移变化的检测即可获得活塞62的移动量，进而实现对主轴外壳5移动量的检测。

结合图1所示，主轴3为中空结构，在其内部沿轴线方向由下向上依次设有拉刀爪子31、碟簧32、拉杆33、拉杆头34、控制活塞35和控制油缸36。其中，碟簧32预压紧在拉刀爪子31和拉杆头34之间并且套设在拉杆33上，控制油缸36与主轴3顶部的主轴端盖37之间形成油腔，用于对控制活塞35进行沿主轴3轴线方向上下移动的控制。

在主轴3进行高速切削时，控制活塞35相对于控制油缸36向上运动，碟簧32保持预压紧状态，拉杆头34与拉杆33在碟簧32的预紧力作用下，将拉刀爪子31通过主轴3内卡槽锁紧，保持对刀具的固定。当进行换刀操作时，控制活塞35相对于控制油缸36进行向下运动，对拉杆33施加轴向压力，进而通过拉杆头34对碟簧32进行压缩，直至碟簧32产生最大的变形量处于压平状态，此时拉杆33沿着拉刀爪子31的方向向下移动，直到拉刀爪子31被主轴3内卡槽卡住，自动松开刀柄，并通过自动换刀装置选择适合的刀具进行刀具的替换，然后控制活塞35再反向向上运动，减小对碟簧32的作用力，使其逐渐恢复预压紧状态，进而对拉杆33和拉杆头34施加向上的推力，使刀具及拉刀爪子31一起沿着轴向向上运动，直到将刀柄锁紧到预设位置为止。