CN102069222B - 一种双刀加工叶片的卧式机床结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双刀加工叶片的卧式机床结构，包括床身以及工件装夹机构和刀具运动机构，工件装夹机构包括工作台以及设于工作台前后两端用以装夹待加工叶片的可移动尾架和旋转夹具；工件装夹机构两侧各设有一套刀具运动机构，刀具运动机构包括主轴头以及驱动主轴头在空间运动的驱动机构；工件装夹机构两侧的两套刀具运动机构的其中一套的主轴头通过采用摆头实现摆动；两套所述刀具运动机构中刀具端的两个主轴头分设于待加工叶片型面两侧，且一个主轴头的零位轴线与另一个主轴头的轴线成一固定夹角β。本发明中由于摆头结构形式的主轴头摆动范围最大为±90°，在设计双刀加工叶片专用机床时，使两侧主轴头中的一个主轴头的零位轴线与另一个主轴头的轴线夹角成一定角度β，可以确定机床的工艺范围，充分发挥双刀加工的优势。

Description

一种双刀加工叶片的卧式机床结构

技术领域

本发明属于机床技术领域，涉及一种机床结构，尤其是一种用于汽轮机长叶片型面加工的双刀加工叶片的卧式机床结构。

背景技术

叶片是汽轮机的核心部件之一，它起着将蒸汽的动能转换为机械能的作用。汽轮机效率的高低，很大程度上取决于叶片型面的设计和制造水平。汽轮机长叶片的长宽比大，截面复杂，其加工时特性和细长轴类零件有类似的地方。细长轴类零件(长径比＞20)强度和刚度差，在加工时受到自身重量、切削力和切削热的影响，极易产生振动和变形，加工质量难以保证，甚至造成零件加工过程中断。一般长轴类零件加工时采用加中心架或者跟刀架对零件进行辅助支撑。通过增加合理的辅助支撑结构形式，或者合理选择刀具和切削用量可以在一定程度上提高零件的加工精度。这种方式适用于加工长径比大、截面不复杂的轴类零件。但是汽轮机长叶片很难用这种方式来加工。其长宽比大，且叶片型面是复杂空间曲面，表面还常有其他结构，加工过程中不易对其增加辅助支撑。实际加工中常通过合理选用加工刀具和改变切削用量等工艺参数来改善零件的加工质量。

目前，长叶片的型面加工主要采用五轴联动的数控加工中心来加工，一次装夹就可以完成叶身型面、内背弧凸台、叶根过渡圆角、叶冠过渡圆角及叶冠装配面型线等结构的加工。五轴联动数控加工中心都是采用单刀来加工叶片的。单刀加工叶片时，采用了五坐标加工技术，五坐标是指三个移动坐标加两个转动坐标，根据转动坐标的不同分配方案，又可以分为采用双摆头、单摆头加转台以及双转台的结构形式。汽轮机叶片加工机床中，多采用的是后两种结构形式。无论采用哪种结构形式，相比传统三轴加工叶片，五轴机床加工叶片的过程中，可以实现两个方向上刀轴矢量的控制，因而使得在叶片加工的过程中，可以采用加工效率更高的端铣刀，同时还可提高叶片加工的工艺范围，并且可以改善叶片的加工质量。两个方向上刀轴矢量的控制是通过处于进给方向平面内的前倾角和垂直进给方向平面的侧倾角来描述的。在叶片五轴加工数控编程时，由于叶片的结构特点，前倾角的设定是十分关键的。单刀叶片加工时，前倾角的实现是通过调整叶片旋转角度实现的，侧倾角则是通过刀具端的单摆头来实现的，

在加工过程中，长叶片相当于一根两端固定的梁，当刀具作用在上面时，切削力会使得叶片发生明显的变形，影响叶片型面的加工质量。特别是在粗加工阶段，切削量大，切削力对叶片精度的影响就更加不可忽略。同时单刀叶片加工的效率太低，不能满足现代快速机加工的要求。

现有针对双刀加工方式的机床结构主要是针对双刀车削细长轴类和双刀铣削薄板类零件提出的，由于细长轴类和薄板类零件的几何形状较简单，因此双刀加工机床两侧刀具的布置基本成180°(如图1)。

由于汽轮机长叶片型面较复杂，如果双刀采用传统的180°的布置形式，将无法满足叶片加工的质量要求，也难以充分发挥出双刀加工叶片的优势。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种双刀加工叶片的卧式机床结构，该机床结构中待加工叶片采用卧式装夹方式，使双刀同时对长叶片进行加工，通过两刀在长叶片型面两侧同时加工，使叶片受力能够部分或者全部抵消，从而能够有效改善长叶片型面在加工过程中的受力状态，减小长叶片型面的加工变形量，并且能够提高加工效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种双刀加工叶片的卧式机床结构，包括一卧式床身，该床身的上端面呈水平面，该床身的上端面通过轨道机构水平设有一能沿床身轴向滑动的工作台；所述工作台的上端面设有工件装夹机构；所述工作台的两侧于床身上分别固定有一套刀具运动机构，所述刀具运动机构包括主轴头以及驱动主轴头在空间X、Y或Z方向运动的驱动机构；所述工作台两侧的两套刀具运动机构中至少有一副主轴头与驱动机构之间通过摆头连接实现摆动自由度；所述工件装夹机构上装夹待加工叶片，所述两套刀具运动机构中刀具端的两个主轴头分设于待加工叶片型面两侧，且一个主轴头的零位轴线和另一个主轴头的轴线成一固定夹角β。

上述工件装夹机构包括旋转夹具和尾架，所述旋转夹具和尾架分别设置于工作台的前后两端。

上述刀具运动机构的驱动机构包括刀具底座、设于刀具底座上的刀具立柱以及设于刀具立柱上能垂直升降的滑架；所述刀具底座水平固定于床身的两侧边，刀具底座的上端面设有沿垂直于床身方向的轨道，所述刀具立柱的下端设有与刀具底座的轨道相配合的轨道槽，且在刀具立柱与刀具底座之间设有驱动刀具立柱沿轨道滑动的丝杠机构；所述刀具立柱的内侧为竖直面，在该竖直面上设有竖直轨道，所述滑架的侧面设有轨道槽，滑架通过轨道槽设置在刀具立柱的竖直轨道上，且滑架与刀具立柱之间设有驱动滑架沿竖直轨道滑动的丝杠机构。

进一步，上述主轴头固定设于滑架上，且至少有一副主轴头与滑架之间通过摆头连接。

进一步，上述床身是一横截面呈凸字形的结构。

进一步，上述工作台前端设有突起的固定架，所述前端的固定架上固定设有一所述旋转夹具，所述工作台的上端面后端还轴向设有轨道，所述尾架的底部设有配合工作台轨道的轨道槽，且所述尾架与工作台之间还设有驱动尾架沿工作台轨道滑动的丝杠机构；所述尾架与工作台之间还设有锁紧机构。

本发明具有以下有益效果：

由于摆头结构形式的刀具摆动范围最大为±90°，在设计双刀加工叶片专用机床时，使两侧主轴间夹角成一定固定值β，可以确定机床的工艺范围，充分发挥双刀加工的优势。具体体现在以下两点：

1)显著提高加工效率，双刀头对零件可以同时进行加工，通过合理的安排零件的加工工艺，加工效率比单刀头明显增加；

2)减小长叶片在加工中的变形。对长叶片来说，加工时因为切削力而引起的变形是很大的，特别是切削量很大时。这种变形对零件的最终加工质量有很大影响。对轴类零件，可以通过增加中间支撑的方式来减小加工中的变形，但对于截面不规则的汽轮机长叶片来说，增加支撑是很困难的。通过本发明的双刀头的卧式机床结构，在加工过程中合理的安排两个刀具的位置，使得刀具作用在零件上的切削力能够得到一部分甚至是完全抵消，这将显著的减小零件的变形，提高零件加工质量。

附图说明

图1为现有技术中的双刀加工方法示意图；

其中(a)为对刀车削细长轴；(b)为双刀铣削薄板件；

图2为本发明的卧式机床方案的结构示意图；

图3为图2的前视图；

图4为双刀加工叶片的工作示意图；

图5为图4的叶片受力分析图。

其中：1为摆头；2为工作台；3为滑架；4为刀具立柱；5为刀具底座；6为尾架；7为床身；8为旋转夹具；9、10为主轴头；11为待加工叶片；12、13为刀具。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

首先本发明的机床机构是基于以下双刀头加工的工作原理来实现的：

其工作原理如图4所示，在加工时，带有刀具的主轴头9和主轴头10分别在待加工叶片11的型面两侧运动。两个主轴头的运动由两个单独的运动机构控制，并通过总的控制系统进行协调。其工作方式主要有两种形式：

(1)提高加工效率的工作方式：

在这种工作方式时，双刀加工的目的主要是为了提高加工效率。其工作原理如图4所示，两主轴头9、10分别带动刀具在叶片型面两侧运动，对待加工叶片11进行加工。两个刀头间在加工时的关系取决于所采用的加工工艺方法，可以是同时进行粗加工，也可以是一个刀头完成粗加工一个刀头完成精加工，提高加工效率。

(2)改善加工质量的工作方式：

在这种工作方式下，双刀头加工主要考虑减少加工时长叶片的变形和振动。刀具相对于叶片的倾斜角度由数控系统决定，加工过程中始终保持两刀头上的刀具相对零件有一个合适的角度，使得作用在零件上的切削合力能够部分或者全部抵消，这将很大程度上减小零件的变形。此外，两个刀头同时加工也能显著的提高加工效率。

在加工汽轮机叶片时常采用球头铣刀，双刀头加工时其受力分析如下图5所示。对单个铣刀而言，切削时主要受到三个力的作用，一个是主切削力，作用在铣刀的圆周方向上；一个是径向力，作用在铣刀的半径方向上；最后一个是轴向力，作用在铣刀的轴线方向上。与此相对应，待加工叶片受到单个铣刀对它施加的三个作用力。一般在分析时将刀具对待加工叶片的切削力分解为三个相互垂直的作用力，如图所示，F_e为横向分力、F_v为作用于工作台面垂直方向的力、F_f为纵向分力。当两个刀具在待加工叶片的型面两侧加工时，合理地安排两者的运动路径，可以使得两个刀具对待加工叶片的作用力一部分或者是全部相互抵消，这将使得待加工叶片在加工中的变形大大减小，有利于提高待加工叶片的加工质量。

基于以上原理，本发明的双刀加工叶片的卧式机床结构如下：

参见图2，这种双刀加工叶片的卧式机床结构包括一卧式床身7，该床身7的上端面呈水平面，该床身7的上端面通过轨道机构水平设有一能沿床身7轴向滑动的工作台2；工作台2的上端面设有工件装夹机构；工作台2的两侧于床身7上分别固定有一套刀具运动机构，刀具运动机构包括主轴头9/10以及驱动主轴头9/10在空间X、Y方向运动的驱动机构；工作台2两侧的两套刀具运动机构中至少有一副主轴头9/10与驱动机构之间通过摆头1连接实现摆动自由度；工件装夹机构上装夹待加工叶片，两套刀具运动机构中主轴头9/10的两个刀具12/13分设于待加工叶片型面两侧，且主轴头9的零位轴线与主轴头10的轴线成一固定夹角β，如图3所示。

本发明的工件装夹机构包括尾架6和旋转夹具8，工件装夹机构的安装情况是这样的：在工作台2前端设有突起的固定架，固定架上固定设有一旋转夹具8，工作台2的上端面后端还轴向设有轨道，尾架6的底部设有配合工作台2轨道的轨道槽，且尾架6与工作台2之间还设有驱动尾架6沿工作台2轨道滑动的丝杠机构；尾架6与工作台2之间还设有锁紧机构。

如图2，上述刀具运动机构的驱动机构包括刀具底座5、设于刀具底座5上的刀具立柱4以及设于刀具立柱4上能垂直升降的滑架3；刀具底座5水平固定于床身7的两侧边，刀具底座5的上端面设有沿垂直于Z方向的轨道，刀具立柱4的下端设有与刀具底座5的轨道相配合的轨道槽，且在刀具立柱4与刀具底座5之间设有驱动刀具立柱4沿轨道滑动的丝杠机构；刀具立柱4的内侧为竖直面，在该竖直面上设有竖直轨道，所述滑架3的侧面设有轨道槽，滑架3通过轨道槽设置在刀具立柱4的竖直轨道上，且滑架3与刀具立柱4之间设有驱动滑架3沿竖直轨道滑动的丝杠机构。主轴头9/10固定设于滑架3上，且至少有一副主轴头9/10与滑架3之间通过摆头1连接。在本发明的较佳实施例中，床身3采用横截面呈凸字形的结构。

本发明的工作过程如下：

首先装夹待加工叶片，待加工叶片通过尾架6和旋转夹具8装夹，尾架6可以在工作台2上沿轨道在Z轴方向(如图2所示的坐标标记)上滑动以调节尾架6和旋转夹具8之间的装夹距离，以满足不同长度叶片的加工。图3中的主轴头9通过摆头1实现摆动，主轴头10则无法摆动。为满足双刀加工叶片的需要，主轴头9的零位轴线和主轴头10的轴线成一固定夹角β，这一角度值是指在垂直于叶片的平面内所成的角度，即在垂直于Z向的平面内，角度值按所加工叶片类型范围来确定。叶片在加工过程中，可以在旋转夹具8的带动下实现旋转。主轴头9在摆头1的带动下，在叶片加工中可以摆动；通过刀具立柱4的移动，主轴头9可以实现X向运动；滑架3在刀具立柱4上可以上下移动，主轴头9因此可以在叶片加工中实现Y向移动。这样，主轴头9就可以实现两个方向的移动自由度和一个摆动自由度。参照图3所示，主轴头10和主轴头9的移动自由度形式是对称的，其工作过程也相同，所不同的是，主轴头10在叶片加工中无法摆动，因此主轴头10在叶片加工中只可以实现两个移动自由度。参照图2所示，工作台2可以在床身7上实现Z向移动，同时满足了主轴头10与主轴头9在Z向的相对移动，即自由度共用。

两点说明：

1)图2本发明涉及的结构中，主轴头9具有两个移动自由度和一个转动自由度，主轴头10具有两个移动自由度，工作台2有一个共用移动自由度。按照待加工叶片加工的复杂程度和刀具选用的不同，还可能在主轴头9和主轴头10上增加自由度。

2)主轴头9和主轴头10的两个移动自由度的结构实现形式还有很多种，这里只是为说明方便，介绍了其中一种布局形式。

无论哪种采用卧式装夹叶片的机床结构形式，只要满足：在垂直叶片回转轴线的平面内，主轴头9和主轴头10零位轴线夹角成一个固定角度，都应属于本专利说明范围。

Claims (6)

1.一种双刀加工叶片的卧式机床结构，包括一卧式床身（7），其特征在于：所述床身（7）的上端面呈水平面，该床身（7）的上端面通过轨道机构水平设有一能沿床身（7）轴向滑动的工作台（2）；所述工作台（2）的上端面设有工件装夹机构；所述工作台（2）的两侧于床身（7）上分别固定有一套刀具运动机构，所述刀具运动机构包括主轴头（9/10）以及驱动主轴头（9/10）在空间X、Y方向运动的驱动机构；所述工作台（2）两侧的两套刀具运动机构中至少有一副主轴头（9/10）与驱动机构之间通过摆头（1）连接实现摆动自由度；所述工件装夹机构上装夹待加工叶片，所述两套刀具运动机构中主轴头（9/10）的两个刀具（12/13）分设于待加工叶片型面两侧，且一个主轴头（9）的零位轴线与另一个主轴头（10）的轴线成一固定夹角β。

2.根据权利要求1所述的双刀加工叶片的卧式机床结构，其特征在于：所述工件装夹机构包括旋转夹具（8）和尾架（6），所述旋转夹具（8）和尾架（6）分别设置于工作台（2）的前后两端。

3.根据权利要求1所述的双刀加工叶片的卧式机床结构，其特征在于：所述刀具运动机构的驱动机构包括刀具底座（5）、设于刀具底座（5）上的刀具立柱（4）以及设于刀具立柱（4）上能垂直升降的滑架（3）；所述刀具底座（5）水平固定于床身（7）的两侧边，刀具底座（5）的上端面设有沿垂直于Z方向的轨道，所述刀具立柱（4）的下端设有与刀具底座（5）的轨道相配合的轨道槽，且在刀具立柱（4）与刀具底座（5）之间设有驱动刀具立柱（4）沿轨道滑动的丝杠机构；所述刀具立柱（4）的内侧为竖直面，在该竖直面上设有竖直轨道，所述滑架（3）的侧面设有轨道槽，滑架（3）通过轨道槽设置在刀具立柱（4）的竖直轨道上，且滑架（3）与刀具立柱（4）之间设有驱动滑架（3）沿竖直轨道滑动的丝杠机构。

4.根据权利要求3所述的双刀加工叶片的卧式机床结构，其特征在于：所述主轴头（9/10）固定设于滑架（3）上，且至少有一副主轴头（9/10）与滑架（3）之间通过摆头（1）连接。

5.根据权利要求1、2或3所述的双刀加工叶片的卧式机床结构，其特征在于：所述床身（3）是一横截面呈凸字形的结构。

6.根据权利要求2或3所述的双刀加工叶片的卧式机床结构，其特征在于：所述工作台（2）前端设有突起的固定架，所述前端的固定架上固定设有一所述旋转夹具（8），所述工作台（2）的上端面后端还轴向设有轨道，所述尾架（6）的底部设有配合工作台（2）轨道的轨道槽，且所述尾架（6）与工作台（2）之间还设有驱动尾架（6）沿工作台（2）轨道滑动的丝杠机构；所述尾架（6）与工作台（2）之间还设有锁紧机构。

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