CN102069223A - 一种双刀加工叶片的立式机床结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双刀加工叶片的立式机床结构，包括底座以及工件装夹机构和刀具运动机构，工件装夹机构包括装夹台以及设于装夹台上下两端用以装夹待加工叶片的可移动尾架和回转工作台；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，且两个刀具端主轴头轴线成一固定角度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，使两侧主轴间夹角成一定角度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立式机床结构

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立式机床结构。

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，对叶片型面的加工精度产生影响。特别是在粗加工阶段，切削量大，切削力对叶片加工精度的影响就更加不可忽略。同时单刀加工叶片的效率较低，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一般成160°(如图1)。

由于汽轮机长叶片型面较复杂，双刀加工叶片机床如仍采用传统的160°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立式机床结构，该机床结构中待加工叶片采用立式装夹方式，使双刀同时加工叶片，通过两刀在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立式机床结构，包括底座以及设于底座上的工件装夹机构和刀具运动机构，所述工件装夹机构包括装夹台以及设于装夹台上下两端用以装夹待加工叶片的可移动尾架和回转工作台；所述工件装夹机构两侧各设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、Z方向运动的驱动机构；所述工件装夹机构两侧的两套刀具运动机构，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，且两个刀具端主轴头轴线成一固定角度。

上述工件装夹机构采用立式装夹方式，所述装夹台为一装夹立柱，该装夹立柱竖直固定在底座上，所述可移动尾架通过轨道设置在装夹立柱的装夹面上，所述回转工作台水平固定在底座上与装夹立柱临近的位置，且所述可移动尾架和回转工作台同轴竖直相对。

上述刀具运动机构上的驱动机构包括刀具立柱、水平X向导轨、滑枕和滑架；

上述水平X向导轨水平固定在底座上，所述刀具立柱的下端设有与水平X向导轨相配合的轨道槽，该刀具立柱通过其下端的轨道槽竖直设置在水平X向导轨上，且所述刀具立柱与水平X向导轨之间设有驱动刀具立柱沿水平X向导轨滑动的丝杠机构；

上述滑架的侧面设有轨道槽，所述刀具立柱的内侧面竖直设置有Z向轨道，滑架通过轨道槽设置在刀具立柱的Z向轨道上，且滑架与刀具立柱之间设有驱动滑架沿Z向轨道滑动的丝杠机构；所述滑架的侧面中心位置设有水平向通孔，所述滑枕为方形结构，滑枕可在滑架的水平向通孔内移动，所述滑枕设有Y向丝杠机构，该Y向丝杠机构可驱动滑枕伸出滑架的水平向通孔且滑枕端部设置有主轴头。

上述刀具立柱由两块竖直的直角梯形板通过上下连接板连接构成，轨道槽设置在两块直角梯形板的下端和下连接板上；所述Z向轨道是双轨道，且Z向轨道设置在两块直角梯形板的直角边上；所述滑枕设置在两块直角梯形板之间。

上述可移动尾架与装夹立柱之间设有驱动可移动尾架沿装夹立柱垂直上下滑动的丝杠机构，所述可移动尾架与装夹立柱之间还设有锁紧机构。

进一步，以上两套所述刀具运动机构的刀具端至少有一套采用摆头实现摆动。

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精度有很大影响。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立式机床结构，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，提高零件加工精度。

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为本发明的立式机床方案的结构示意图；

图3为图2的俯视图；

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：101为底座；1为摆头；2为滑枕；3为滑架；4为刀具立柱；5为水平X向导轨；6为可移动尾架；7为装夹立柱；8为回转工作台；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和10分别带动刀具在叶片型面两侧对待加工叶片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立式机床结构至少应具备有以下基本结构：

参见图2和图3，包括一底座101以及设于底座101上的工件装夹机构和刀具运动机构。所述工件装夹机构包括装夹台以及设于装夹台上下两端用以装夹待加工叶片的可移动尾架6和回转工作台8。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9和10以及驱动主轴头9和10在空间X、Y、Z方向运动的驱动机构。工件装夹机构两侧的两套刀具运动机构的其中一套(或者全部的两套)的主轴头10通过采用摆头1实现摆动。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，且两个刀具端主轴头轴线成一固定角度β。

基于以上本发明的基本结构，以下具体说明本发明的机床结构：

参见图2和图3，工件装夹机构采用立式装夹方式，装夹台为一装夹立柱7，该装夹立柱7竖直固定在底座101上。可移动尾架6通过轨道设置在装夹立柱7的装夹面上。回转工作台8水平固定在底座101上与装夹立柱7临近的位置，且可移动尾架6和回转工作台8同轴竖直相对，用于将待加工叶片牢牢的夹在两者之间。在可移动尾架6与装夹立柱7之间设有驱动可移动尾架6沿装夹立柱7垂直上下滑动的丝杠机构，并且为了将待加工叶片固定紧密，在可移动尾架6与装夹立柱7之间还设有锁紧机构。

以下详细描述用于驱动主轴头10上的驱动机构：

刀具运动机构上的驱动机构包括刀具立柱4、水平X向导轨5、滑枕2和滑架3。水平X向导轨5水平固定在底座101上，刀具立柱4的下端设有与水平X向导轨5相配合的轨道槽，该刀具立柱4通过其下端的轨道槽竖直设置在水平X向导轨5上，且所述刀具立柱4与水平X向导轨5之间设有驱动刀具立柱4沿水平X向导轨5滑动的丝杠机构。

滑架3的侧面设有轨道槽，刀具立柱4的内侧面竖直设置有Z向轨道，滑架3通过轨道槽设置在刀具立柱4的Z向轨道上，且滑架3与刀具立柱4之间设有驱动滑架3沿Z向轨道滑动的丝杠机构。滑架3的侧面中心位置设有水平向通孔，滑枕2为方形结构，滑枕2可在滑架3的水平向通孔内移动。滑枕2设有Y向丝杠机构，该Y向丝杠机构驱动滑枕2伸出滑架3的水平向通孔且滑枕2端部设置有主轴头10。主轴头10可以通过摆头1与滑枕2连接，也可以不加摆头1直接与滑枕2端部连接。图3中所示的主轴头10是采用摆头1进行连接，而另一边的主轴头9不具有摆动能力，其是与滑枕2端部直接连接的。该机床的结构中，为了增加待加工叶片两侧刀具的自由度，也可以在两套所述刀具运动机构的刀具端均通过采用摆头1实现摆动。

参见图2，刀具立柱4结构是这样的：其由两块竖直的直角梯形板通过上下连接板连接构成，X向轨道槽设置在两块直角梯形板的下端和下连接板上。Z向轨道是双轨道，且Z向轨道设置在两块直角梯形板的直角边上。滑枕2设置在两块直角梯形板之间。以上只是本发明提出一个刀具立柱4的较佳结构方案，在实际应用中，也可以根据需要对刀具立柱4的结构进行调整，在等同的效果的基础上，任何对刀具立柱4结构上的调整都将会落入本发明保护的范围内。

上述双刀加工叶片的立式机床结构其工作过程如下：

参照图2所示，待加工叶片通过安装在回转工作台8上的专用夹具和可移动尾架6装夹在装夹立柱7上，待加工叶片在加工过程中，可以在回转工作台8的带动下实现旋转。主轴头10在摆头1的带动下，在加工中可以摆动；通过滑枕2，主轴头10可以实现Y向运动；滑架3在刀具立柱4上可以上下移动，主轴头10因此可以在加工中实现Z向移动；刀具立柱4可以在水平X向导轨5上实现X向的移动。这样，主轴头10就可以实现三个方向的移动自由度和一个摆动自由度。如图3所示，主轴头9和主轴头10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9在叶片加工中无法摆动，因此主轴头9在叶片加工中只可以实现三个移动自由度。

两点说明：

①这里涉及的结构中，示意说明了一种专用机床结构，主轴头9具有三个移动自由度，主轴头10具有三个移动自由度和一个转动自由度，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的三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。

无论哪种采用立式装夹叶片方案的专用机床结构形式，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轴线夹角成一个固定角度β，都应属于本专利说明范围。

Claims (6)

1.一种双刀加工叶片的立式机床结构，包括底座(101)以及设于底座(101)上的工件装夹机构和刀具运动机构，其特征在于：所述工件装夹机构包括装夹台以及设于装夹台上下两端用以装夹待加工叶片的可移动尾架(6)和回转工作台(8)；所述工件装夹机构两侧各设有一套刀具运动机构，所述刀具运动机构包括主轴头(10)以及驱动主轴头(10)在空间X、Y、Z方向运动的驱动机构；所述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(10)通过采用摆头(1)实现摆动；两套所述刀具运动机构中刀具端的两个主轴头(9/10)分设于待加工叶片型面两侧，且两个主轴头(9/10)轴线成一固定角度β。

2.根据权利要求1所述的双刀加工叶片的立式机床结构，其特征在于：所述工件装夹机构采用立式装夹方式，所述装夹台为一装夹立柱(7)，该装夹立柱(7)竖直固定在底座上，所述可移动尾架(6)通过轨道设置在装夹立柱(7)的装夹面上，所述回转工作台(8)水平固定在底座(101)上与装夹立柱(7)临近的位置，且所述可移动尾架(6)和回转工作台(8)同轴竖直相对。

3.根据权利要求2所述的双刀加工叶片的立式机床结构，其特征在于：所述刀具运动机构上的驱动机构包括刀具立柱(4)、水平X向导轨(5)、滑枕(2)和滑架(3)；

所述水平X向导轨(5)水平固定在底座(101)上，所述刀具立柱(4)的下端设有与水平X向导轨(5)相配合的轨道槽，该刀具立柱(4)通过其下端的轨道槽竖直设置在水平X向导轨(5)上，且所述刀具立柱(4)与水平X向导轨(5)之间设有驱动刀具立柱(4)沿水平X向导轨(5)滑动的丝杠机构；

所述滑架(3)的侧面设有轨道槽，所述刀具立柱(4)的内侧面竖直设置有Z向轨道，滑架(3)通过轨道槽设置在刀具立柱(4)的Z向轨道上，且滑架(3)与刀具立柱(4)之间设有驱动滑架(3)沿Z向轨道滑动的丝杠机构；所述滑架(3)的侧面中心位置设有水平向通孔，所述滑枕(2)为方形结构，滑枕(2)可在滑架(3)的水平向通孔内移动，所述滑枕(2)设有Y向丝杠机构，该Y向丝杠机构可驱动滑枕(2)伸出滑架(3)的水平向通孔且滑枕(2)端部设置有主轴头(9/10)。

4.根据权利要求3所述的双刀加工叶片的立式机床结构，其特征在于：所述刀具立柱(4)由两块竖直的直角梯形板通过上下连接板连接构成，轨道槽设置在两块直角梯形板的下端和下连接板上；所述Z向轨道是双轨道，且Z向轨道设置在两块直角梯形板的直角边上；所述滑枕(2)设置在两块直角梯形板之间。

5.根据权利要求2所述的双刀加工叶片的立式机床结构，其特征在于：所述可移动尾架(6)与装夹立柱(7)之间设有驱动可移动尾架(6)沿装夹立柱(7)垂直上下滑动的丝杠机构，所述可移动尾架(6)与装夹立柱(7)之间还设有锁紧机构。

6.根据权利要求1所述的双刀加工叶片的立式机床结构，其特征在于：两套所述刀具运动机构的主轴头(9/10)至少有一套采用摆头(1)实现摆动。

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