CN101244531A - 叶片双面同步高效磨抛机床 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种叶片双面同步高效磨抛机床，属于机械制造领域。Y向移动机构和两个X向移动机构固定在床身上，两个X向移动机构同轴且与Y向移动机构成对称水平垂直分布；两个砂带变轮系磨抛工具系统分别与两个Z向移动机构相连；该两个Z向移动机构分别与两个立柱相连；两个立柱分别与两个X向移动机构相连；翻转夹具安装在回转工作台上，该翻转夹具可以实现叶片的装夹和叶片绕翻转夹具中心轴B轴的转动；回转工作台与Y向移动机构相连，回转工作台提供绕其中心轴C轴的转动。优点在于对叶片双侧型面同步磨抛加工，不但磨抛效率得到明显提高，而且由于叶片在磨抛过程中双面受力，有效地避免了叶片的加工变形。
Description
技术领域
本发明属于机械制造领域。
背景技术
叶片是汽轮机、水轮机、航空发动机、航天推进系统、高速舰船推进系统的典型关键零件。以汽轮机为例，汽轮机中叶片数目往往多达几千片，一方面叶片的结构设计十分复杂，影响着通流部分的气动性能，另一方面汽轮机叶片长期工作在高温、高压、巨大的离心力、蒸汽力、腐蚀和振动以及水滴冲蚀的恶劣环境下，任何设计和制造中的缺陷都可能导致工作效率降低，甚至整个机组的损坏，带来重大经济损失。叶片型面的设计、制造水平和制造质量直接影响透平机械的性能、效率和可靠性。
近十几年来，随着计算机技术和现代控制理论等相关技术的迅猛发展，以多轴联动数控加工为代表的柔性加工技术和设备日趋完善。多轴联动数控加工技术已经成为叶片制造的主流成型方法。瑞士威力铭-马科黛尔公司的TB系列五轴叶片加工中心、瑞士RIGID公司的NX系列五轴五联动叶片型面加工机床、瑞士Starrag Heckert公司的BX 151 Win-Win五轴加工中心、意大利C.B.Ferrari公司的五轴高速叶片铣床等一定程度上代表了目前世界上中、小型叶片加工技术的最高水平。随着我国数控机床研发水平的不断提高，近几年来，我国机床制造企业和高等院校合作在叶片加工设备方面初步形成了自主研发能力，并为发电设备制造企业提供了我们国产的叶片加工设备。齐二机床集团有限公司与清华大学合作研制出了世界上首台大型龙门式五轴混联机床(XNZ2430)，该机床非常适合飞机螺旋桨、大型水轮机叶片等复杂曲面的加工。武汉重型机床集团有限公司与华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心、镇江船舶螺旋桨厂产学研相结合在国家“863”计划支持下合作开发成功CKX5680数控重型七轴五联动车铣复合加工机床，满足了大舰螺旋桨的加工需求。东方汽轮机厂与北京机电院合作开发的XKH系列五轴联动叶片加工中心采用X、Y、Z轴移动加A、B轴转动的合成运动方式，通过使叶片绕A轴的连续回转运动实现叶片双面的顺序加工，适合加工汽轮机、燃气轮机的各类叶片及各类窄长形特殊曲面的零件(如直升机的桨叶等)。哈尔滨量具刃具集团有限责任公司与哈尔滨工业大学联合研制七轴联动并串联机床，该机床主体为6-TPS型六轴并联机床，通过在工作台上串联一个数控转台实现七轴联动，用于加工中小型的动叶片和导叶片。北京航空航天大学突破了传统的利用球头铣刀加工复杂曲面的模式，采用圆环面刀具(以圆环面为有效工作表面的刀具，如圆环面铣刀、圆环面砂轮等)，以圆环面刀具与叶片表面之间的线接触代替球头铣刀的点接触加工复杂曲面，并与陕西秦川机械发展股份有限公司合作研发了QMK001型五坐标叶片加工机床，实现了敞开式叶片的宽行距线接触加工，提高了加工效率。
叶片型面的加工精度和表面质量直接影响整机的性能。目前采用多轴联动数控机床加工叶片型面是一种主流趋势，铣削加工后叶片表面呈现留有刀痕的扇贝面。为了保证叶片型面的表面质量，往往需要进行磨抛加工(这里的磨抛是指磨削和抛光)。目前叶片的磨抛加工还主要依赖工人的手工作业，工作环境恶劣，产生的微小颗粒危害工人的健康，同时人工磨抛效率低，磨抛时间占总加工时间的40％～50％左右，手工磨抛对工人的依赖程度较大，叶片磨抛效果往往随工人的熟练程度不同而不同。手工磨抛加工对工人的操作技能要求较高，而熟练工人的生产技艺需要长时间的实践摸索和积累才能形成，由于生产规模的不断扩大，必然会面临熟练工人短缺的问题。制造业正在逐渐由劳动密集型产业向技术密集型产业转变，采用自动化磨抛技术，提高叶片磨抛的效率和表面质量成为迫切需要解决的问题。
国内外学者普遍采用砂带作为磨抛工具，开展叶片复杂曲面磨抛加工自动化的研究。国外在叶片磨抛自动化方面的研究起步较早，具有代表性的是德国Metabo公司于1986年研制出的用于叶片磨抛加工的六轴数控砂带磨床(型号MTS-600/CNC-6，MTS-800/CNC-6等)，该机床在传统的X、Y、Z和A、B、C轴的基础上还增加了一个压力轴N，编程时需给N轴设定压力的经验值。意大利C.B.Ferrari公司近期开发了MY13型五轴高速叶片磨床，机床构型为五轴联动叶片加工设备普遍采用的基本布局，以砂带作为工具，通过A轴360°的连续回转，配以X、Y、Z和B轴的合成运动实现叶片磨抛加工。
我国从上个世纪90年代开始研究叶片数控砂带磨抛工艺，取得了一些重要的研究成果，并逐步在叶片加工企业得到应用。西南科技大学针对我国航空发动机钛合金叶片强化抛光的现状，在国外已有的用于振动强化抛光的二维机械激振振动台的基础上，提出了三维电磁激振强化抛光振动台的设计思想，通过理论建模、动力学分析计算研发了无导轨支承的三维振动强化抛光设备，将钛合金叶片浸没在抛光液中，利用共振实现叶片的强化抛光加工。江南大学针对Metabo公司六轴数控砂带磨床N轴的压力值无法随叶片型面误差变化而变化的不足，在UG环境下开发了叶片型面误差分析模块，建立了磨削法向力和型面误差之间的函数关系，利用UG/OPEN API编程工具开发了UG环境下的叶片砂带磨削刀位数据计算和加工仿真模块。廊坊智通机器人系统有限公司以ABB工业机器人为平台开发了由工业机器人、砂带磨抛机和激光扫描仪组成的叶片磨抛系统。对于中小型叶片采用工业机器人夹持叶片的加工方式，通过工业机器人完成叶片和固定的磨抛砂带之间复杂的空间运动实现叶片磨抛；对于大型叶片，则采用工业机器人夹持磨抛工具的加工方式，通过工业机器人带动磨抛工具进行叶片型面的磨抛。
综上所述，一方面，现有叶片加工设备普遍采用单一工具头，对叶片双侧型面只能采取顺序加工的模式，即在某一时刻只能对叶片的单侧型面进行加工。另一方面，叶片形状近年来出现了弯、宽、扭、薄的特点，叶片作为薄壁类零件，加工时如果承受的单侧切削力过大，必然会产生较大的变形，而且还有可能产生颤振，不可避免地造成叶片加工精度的降低。为了有效地避免叶片因变形所带来的加工误差，加工薄叶片时一般在薄叶片的非加工侧采用辅助支撑。
发明内容
本发明提供一种具有两个磨抛工具系统，可以同时对叶片双侧型面进行同步高效磨抛的机床，提高叶片磨抛效率，避免叶片加工变形。
本发明采取的技术方案：包括床身、两个成对称布置的立柱、两个成对称布置的砂带变轮系磨抛工具系统、两个成对称布置的Z向垂直向移动机构、两个成对称布置的X向移动机构、Y向移动机构、翻转夹具、回转工作台，其特征在于Y向移动机构和两个X向移动机构固定在床身上，两个X向移动机构同轴且与Y向移动机构成对称水平垂直分布；两个砂带变轮系磨抛工具系统分别与两个Z向移动机构相连；两个Z向移动机构分别与两个立柱相连；两个立柱分别与两个X向移动机构相连；翻转夹具安装在回转工作台上，翻转夹具可以实现叶片的装夹和叶片绕翻转夹具中心轴B轴的转动；回转工作台与Y向移动机构相连，回转工作台提供绕其中心轴C轴的转动。
所说的砂带变轮系磨抛工具系统包括砂带、工具板、安装在工具板上的两个张紧轮、一个驱动轮和换轮机构；所说的换轮机构包括十字滑道、四个滑动杆和四个不同直径的接触轮；所说的十字滑道可绕其中心轴转动，在十字滑道内滑动的四个滑动杆的末端分别装有不同直径接触轮。
所说的换轮机构可以根据叶片曲率半径变化通过滑动杆将现有接触轮收回，十字滑道绕其中心轴转动到所需接触轮处于水平位置，滑动杆推动所需接触轮将砂带压向叶片表面。
所说的X向移动机构包括X向驱动电机、X向丝杠/螺母副、X向滑块/滑道副。X向驱动电机与X向丝杠/螺母副相连，X向丝杠/螺母副与X向滑块相连，X向滑块沿X向滑道运动。
所说的Y向移动机构包括Y向驱动电机、Y向丝杠/螺母副、Y向滑块/滑道副。Y向驱动电机与Y向丝杠/螺母副相连，Y向丝杠/螺母副与Y向滑块相连，Y向滑块沿Y向滑道运动。
所说的Z向移动机构包括Z向驱动电机、Z向丝杠/螺母副、Z向滑块/滑道副。Z向驱动电机与Z向丝杠/螺母副相连，Z向丝杠/螺母副与Z向滑块相连，Z向滑块沿Z向滑道运动。
所说的两个Z向移动机构、两个X向移动机构、Y向移动机构、翻转夹具、回转工作台在运动控制上实行联动控制，实现对叶片双侧型面进行同步磨抛加工。
本发明提供一种全新的叶片双面同步高效磨抛机床。该机床由双X、Y与双Z移动轴和B、C转动轴构成。Y轴方向为叶片的纵向，采用相对于叶片纵向对称布置的双Z轴结构，每个Z轴上安装一套磨抛工具系统。通过B轴和C轴的转动保证垂直于叶片生成线的平面与叶型曲面的交线(即叶片磨抛轨迹)始终处于XZ平面内，同时保证叶片的双侧型面(内弧面和背弧面)始终处于左右的位置关系，分别与两个磨抛工具系统相对应。磨抛砂带在XZ面内沿生成的磨抛轨迹运动，通过Y轴的移动实现叶片整个型面的双侧同步磨抛加工。
本发明优点：
(1)本发明打破了传统的采用单工具头对叶片双面顺序加工的模式，提出了采用双工具头对叶片双面进行同步高效磨抛。将传统的叶片加工过程中单工具头与叶片单侧型面(内弧面或背弧面)处于上下的位置关系，改为采用两个磨抛工具系统相对于叶片型面左右对称布置，同时对叶片双侧型面同步磨抛加工，不但磨抛效率得到明显提高，而且由于叶片在磨抛过程中双面受力，有效地避免了叶片的加工变形。
(2)本发明采用砂带作为磨抛工具，采用变轮系工具系统根据叶片曲面曲率半径的变化提供不同尺寸的接触轮，提高了磨抛工具对叶片复杂曲面的适应性。
附图说明
图1是本发明总体结构示意图。
图2是本发明的砂带变轮系磨抛工具系统结构示意图。
具体实施方式
Y向移动机构和两个X向移动机构固定在床身1上，两个X向移动机构同轴且与Y向移动机构成对称水平垂直分布；两个砂带变轮系磨抛工具系统9分别与两个Z向移动机构相连；该两个Z向移动机构分别与两个立柱14相连；两个立柱分别与两个X向移动机构相连；翻转夹具10安装在回转工作台16上，该翻转夹具可以实现叶片的装夹和叶片绕翻转夹具中心轴B轴的转动；回转工作台与Y向移动机构相连，回转工作台提供绕其中心轴C轴的转动。
下面结合附图对本发明作进一步详述。
本发明总体结构如图1所示，该机床由双X向即横向、Y向即纵向与双Z移动轴和B、C转动轴构成。Y轴方向为叶片的纵向，采用相对于叶片纵向对称布置的双Z轴结构，每个Z轴上安装一套砂带变轮系磨抛工具系统。
两个Z向即垂直向驱动电机13、两个Z向丝杠/螺母副12、两个Z向滑道15分别对称固定在两个立柱14上。Z向驱动电机13与Z向丝杠/螺母副12相连，Z向丝杠/螺母副12与Z向滑块11相连。两个砂带变轮系磨抛工具系统9分别对称固定在两个Z向滑块11上。Z向驱动电机13通过Z向丝杠/螺母副12使Z向滑块11沿Z向滑道15运动，实现砂带变轮系磨抛工具系统9的Z向运动。
两个X向驱动电机7、两个X向丝杠/螺母副6、两个X向滑道8分别对称固定在床身1上。X向驱动电机7与X向丝杠/螺母副6相连，X向丝杠/螺母副6与X向滑块5相连。两个立柱14分别对称固定在两个X向滑块5上。X向驱动电机7通过X向丝杠/螺母副6使X向滑块5沿X向滑道8运动，实现砂带变轮系磨抛工具系统9的X向运动。
翻转夹具10实现叶片的装夹与叶片绕夹具中心轴B轴的转动。翻转夹具10安装在回转工作台16上，回转工作台16实现叶片绕回转工作台中心轴C轴的转动。
Y向驱动电机17、Y向丝杠/螺母副2、Y向滑道3固定在床身1上。Y向驱动电机17与Y向丝杠/螺母副2相连，Y向丝杠/螺母副2与Y向滑块4相连。回转工作台16固定在Y向滑块4上。Y向驱动电机17通过Y向丝杠/螺母副2使Y向滑块4沿Y向滑道3运动，实现叶片的Y向运动。
砂带变轮系磨抛工具系统9的结构如图2所示，包括砂带904、工具板905、安装在工具板905上的两个张紧轮902，一个驱动轮906和换轮机构；换轮机构包括十字滑道903、在十字滑道903内滑动的与滑动杆908相同的四个滑动杆、四个滑动杆末端的不同直径的接触轮901。换轮机构可以根据叶片曲率半径变化通过滑动杆908将现有接触轮901收回，十字滑道903绕其中心轴907转动到所需接触轮处于水平位置，滑动杆推动所需接触轮将砂带904压向叶片表面。
通过B轴和C轴的转动保证垂直于叶片生成线的平面与叶型曲面的交线(即叶片磨抛轨迹)始终处于XZ平面内，同时保证叶片的双侧型面(内弧面和背弧面)始终处于左右的位置关系，分别与两个磨抛工具系统相对应。磨抛砂带在XZ面内沿生成的磨抛轨迹运动，通过Y轴的移动实现叶片整个型面的双侧同步磨抛加工。
Claims (5)
1、一种叶片双面同步高效磨抛机床，其特征在于Y向移动机构和两个X向移动机构固定在床身上，两个X向移动机构同轴且与Y向移动机构成对称水平垂直分布；两个砂带变轮系磨抛工具系统分别与两个Z向移动机构相连；该两个Z向移动机构分别与两个立柱相连；两个立柱分别与两个X向移动机构相连；翻转夹具安装在回转工作台上，该翻转夹具可以实现叶片的装夹和叶片绕翻转夹具中心轴B轴的转动；回转工作台与Y向移动机构相连，回转工作台提供绕其中心轴C轴的转动。
2、根据权利要求1所述的叶片双面同步高效磨抛机床，其特征在于砂带变轮系磨抛工具系统包括砂带、工具板、安装在工具板上的两个张紧轮、一个驱动轮和换轮机构；所说的换轮机构包括十字滑道、四个滑动杆和四个不同直径的接触轮；所说的十字滑道可绕其中心轴转动，在十字滑道内滑动的四个滑动杆的末端分别装有不同直径接触轮。
3、根据权利要求1所述的叶片双面同步高效磨抛机床，其特征在于X向移动机构包括：X向驱动电机与X向丝杠/螺母副相连，X向丝杠/螺母副与X向滑块相连，该X向滑块沿X向滑道运动。
4、根据权利要求1所述的叶片双面同步高效磨抛机床，其特征在于Y向移动机构包括：Y向驱动电机与Y向丝杠/螺母副相连，Y向丝杠/螺母副与Y向滑块相连，该Y向滑块沿Y向滑道运动。
5、根据权利要求1所述的叶片双面同步高效磨抛机床，其特征在于Z向移动机构包括：Z向驱动电机与Z向丝杠/螺母副相连，Z向丝杠/螺母副与Z向滑块相连，该Z向滑块沿Z向滑道运动。
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