CN103084636B - 整体叶盘复合数控铣削垂直结构机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整体叶盘复合数控铣削垂直结构机床，用于解决现有通用五坐标机床加工整体叶盘效率低的技术问题。技术方案是在插铣和侧铣装置（5）的基础上增加了盘铣装置（21）。由于该机床将盘铣、插铣和侧铣工艺高度集成，盘铣加工用于大余量的切除，开槽加工；插铣用于扩槽加工，曲面成形；侧铣用于半精加工，除棱清根。其大扭矩、高刚性盘/插铣双动力头结构，形成了整体叶盘高效强力复合数控铣床，实现一次装夹定位，即可完成整体叶盘的粗加工以及半精加工。

Description

整体叶盘复合数控铣削垂直结构机床

技术领域

本发明涉及一种整体叶盘数控铣削机床，特别是涉及一种整体叶盘复合数控铣削垂直结构机床。

背景技术

整体叶盘是高推重比、高性能发动机的核心部件，也是航空航天、国防、能源、动力等领域重大装备实现减重、增效和改善性能的关键零件。与传统叶片和轮毂装配结构相比，整体叶盘省去榫头、榫槽及相应的连接件，减轻了重量，提高了推重比，使发动机的工作寿命与安全可靠性得到提升，但由于其结构复杂、通道窄、开敞性差等，使其制造技术属于国际性难题。因此，实现整体叶盘高效、高质量、低成本数控加工是提升国家重大装备制造水平、提高航空发动机工作性能的核心关键技术。

国内在整体叶盘加工方面普遍采用并依赖进口的通用五坐标机床插铣加工，难以满足整体叶盘零件的高效低成本制造要求。尤其在其粗加工阶段，加工过程使用的刀具规格多且刀具磨损严重，导致加工周期长、效率低，成本居高不下。国外新研整体叶盘加工工艺与装备技术对我国实行严密技术封锁。大量国内整体叶盘加工经验表明：现有整体叶盘粗加工装备与工艺技术已经成为整体叶盘工程化批量生产中实现高效、低成本制造的瓶颈问题。资料显示，某新型航空发动机一级风扇整体叶盘的制造，开槽粗加工材料去除量约占90％，使用高精度和高成本的进口通用五坐标加工中心，即使采用先进的插铣工艺技术，开槽粗加工仍需约40～50天时间。加工效率极其低下，已经很难适应国内航空发动机的批量化生产需求，严重制约我国新一代航空发动机技术进步和自主创新，限制我国航空工业跨越式发展和国民经济的可持续发展。因此，开展整体叶盘高效强力复合数控铣削加工工艺及装备技术研究，对实现整体叶盘高效低成本加工，满足批量化生产，非常迫切和需要。

发明内容

为了克服现有通用五坐标机床加工整体叶盘效率低的不足，本发明提供一种整体叶盘复合数控铣削垂直结构机床。该机床将盘铣、插铣和侧铣工艺高度集成，盘铣加工用于大余量的切除，开槽加工；插铣用于扩槽加工，曲面成形；侧铣用于半精加工，除棱清根。其大扭矩、高刚性盘/插铣双动力头结构，可以形成整体叶盘高效强力复合数控铣床，实现一次装夹定位，即可完成整体叶盘的粗加工以及半精加工。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种整体叶盘复合数控铣削垂直结构机床，包括插铣和侧铣装置5、夹具8、旋转工作台9、水平工作台、床身底座17和立柱24，其特点是还包括盘铣装置21。整个机床有四个直线轴，分别是X轴、Y1轴、Y2轴和Z轴。三个旋转轴，分别是A轴、B轴和C轴。Z轴伺服电机1固连在立柱24顶端，Z轴机床滑枕3和Z轴滚珠丝杠螺母副2用螺钉固连在立柱24前端，Z轴机床导轨4直接卡在Z轴机床滑枕3上，插铣和侧铣装置5通过螺钉及Z轴滚珠丝杠螺母副2固连在Z轴机床导轨4上后与Z轴机床滑枕3固连，然后固连在立柱24上。电主轴6通过轴承及支承轴与插铣和侧铣装置5相连接。Y2轴机床滑枕18和Y2轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副13通过螺钉紧固在床身底座17上，Y2轴机床导轨14直接卡在Y2轴机床滑枕18上，第二水平工作台15用螺钉固定在Y2轴机床导轨14上，X轴机床滑枕11及X轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副16用螺钉固定在第二水平工作台15上，X轴机床导轨12直接卡在X轴机床滑枕11上，第一水平工作台10用螺钉固定在X轴机床导轨12上，旋转工作台9用螺钉紧固在第一水平工作台10上，夹具8固定在旋转工作台9上，整体叶盘7装夹在夹具8上。Y1轴机床滑枕19和Y1轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副22用螺钉固定在立柱24左侧，Y1轴机床导轨23直接卡在Y1轴机床滑枕19上，盘铣装置21通过固定板及螺钉固连在Y1轴机床导轨23上，盘铣刀20通过键与铣刀轴固连，铣刀轴与盘铣装置21固连，盘铣刀20与盘铣装置21固连后形成整体。

还包括控制系统，所述控制系统双通道七轴五联动。同时控制X轴、Y2轴、Z轴、B轴和C轴实现盘铣的加工；同时控制X轴、Y2轴、Z轴、A轴和C轴，加上主轴SP的旋转实现插铣、侧铣的加工。

所述X轴、Y1轴、Y2轴和Z轴采用光栅尺构成全闭环位置检测。

所述A轴、C轴采用光电编码器构成全闭环角度检测，采用液压锁紧，实现任意角度定位后的夹紧。

所述B轴采用鼠牙盘啮合定位锁紧，依靠伺服电机上的编码器实现半闭环角度检测。

所述SP电主轴含有内置编码器，通过编码器进行全闭环速度反馈。

所述A轴的旋转角度为-15°～105°。

所述B轴的旋转角度为-90°～90°。

所述C轴的旋转角度为0°～360°。

本发明的有益效果是：由于该机床将盘铣、插铣和侧铣工艺高度集成，盘铣加工用于大余量的切除，开槽加工；插铣用于扩槽加工，曲面成形；侧铣用于半精加工，除棱清根。其大扭矩、高刚性盘/插铣双动力头结构，形成了整体叶盘高效强力复合数控铣床，实现一次装夹定位，即可完成整体叶盘的粗加工以及半精加工。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明整体叶盘复合数控铣削垂直结构机床示意图。

图2是本发明整体叶盘复合数控铣削垂直结构机床控制系统框图。

图中，1-Z轴伺服电机；2-Z轴滚珠丝杠螺母副；3-Z轴机床滑枕；4-Z轴机床导轨；5-插铣和侧铣装置；6-电主轴；7-整体叶盘；8-夹具；9-旋转工作台；10-第一水平工作台；11-X轴机床滑枕；12-X轴机床导轨；13-Y2轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副；14-Y2轴机床导轨；15-第二水平工作台；16-X轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副；17-床身底座；18-Y2轴机床滑枕；19-Y1轴机床滑枕；20-盘铣刀；21-盘铣装置；22-Y1轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副；23-Y1轴机床导轨；24-立柱。

具体实施方式

以下实施例参照图1～2。

本发明整体叶盘复合数控铣削垂直结构机床包括盘铣装置21、插铣和侧铣装置5、夹具8、旋转工作台9、水平工作台、床身底座17和立柱24。

整体叶盘复合数控铣削垂直结构机床有四个直线轴，分别是X轴、Y1轴、Y2轴和Z轴。三个旋转轴，分别是A轴、B轴和C轴。Z轴伺服电机1安装在立柱24顶端，Z轴机床滑枕3和Z轴滚珠丝杠螺母副2用螺钉安装在立柱24前端，Z轴机床导轨4直接卡在Z轴机床滑枕3上，插铣和侧铣装置5通过螺钉及Z轴滚珠丝杠螺母副2安装在Z轴机床导轨4上，并与Z轴机床滑枕3连接在一起，最终与立柱24连接在一起。电主轴6通过轴承及支承轴与插铣和侧铣装置5相连，组成整体。Y2轴机床滑枕18和Y2轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副13通过螺钉紧固在床身底座17上，Y2轴机床导轨14直接卡在Y2轴机床滑枕18上，第二水平工作台15用螺钉安装在Y2轴机床导轨14上，X轴机床滑枕11及X轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副16用螺钉安装在第二水平工作台15上，X轴机床导轨12直接卡在X轴机床滑枕11上，第一水平工作台10用螺钉安装在X轴机床导轨12上，旋转工作台9用螺钉紧固在第一水平工作台10上，夹具8安装在旋转工作台9上，整体叶盘7装夹在夹具8上。Y1轴机床滑枕19和Y1轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副22用螺钉安装在立柱24左侧，Y1轴机床导轨23直接卡在Y1轴机床滑枕19上，盘铣装置21通过固定板及螺钉安装在Y1轴机床导轨23上，盘铣刀20通过键与铣刀轴相连，铣刀轴与盘铣装置21相连，最终使盘铣刀20与盘铣装置21形成整体。

本发明中采用840D数控系统，双通道七轴五联动。同时控制X轴、Y2轴、Z轴、B轴和C轴实现盘铣加工；同时控制X轴、Y2轴、Z轴、A轴和C轴，加上主轴SP的旋转实现插铣、侧铣加工。X轴、Y1轴、Y2轴和Z轴采用光栅尺构成全闭环位置检测；A轴和C轴采用光电编码器构成全闭环角度检测，采用液压锁紧，实现任意角度定位后的夹紧；B轴采用鼠牙盘啮合定位锁紧，依靠伺服电机上的编码器实现半闭环角度检测；A轴的旋转角度为-15°～105°，B轴的旋转角度为-90°～90°，C轴的旋转角度为0°～360°。SP电主轴内置编码器进行全闭环速度反馈。

加工时，将整体叶盘7装夹在夹具8上，整体叶盘7在X轴机床导轨12和Y2轴机床导轨14的带动下移到盘铣加工区域。盘铣装置21沿Y1轴机床导轨23从立柱24左侧移动到插铣和侧铣装置5的左侧，盘铣装置21沿B轴旋转一定的角度，跟随插铣和侧铣装置5沿Z轴机床导轨4升降到一定高度，进行整体叶盘7第一个通道的盘铣加工，加工完第一个通道后，C轴旋转一定的角度进行整体叶盘7第二个通道的盘铣加工，如此往复，直至最后一个通道加工完成。盘铣装置21跟随插铣和侧铣装置5沿Z轴机床导轨4，升降至与立柱24左侧的另一段Y1轴机床导轨23同一高度处，然后盘铣装置21沿Y1轴机床导轨23退回到立柱24的左侧，完成盘铣加工。整体叶盘7在X轴机床导轨12和Y2轴机床导轨14的带动下移到插铣、侧铣加工区域，插铣和侧铣装置5沿Z轴机床导轨4移动合适的位置，电主轴6摆动到合适的角度，进行插铣加工，完成整体叶盘7的第一个通道插铣加工后，整体叶盘7在C轴的带动下旋转一个角度进行第二个通道的插铣加工，如此往复直至最后一个通道，完成插铣加工。按照数控系统设定好的加工余量，进行最后的侧铣加工，步骤同插铣步骤一样。最后整体叶盘7在X轴机床导轨12和Y2轴机床导轨14的带动下退出加工区域，取下整体叶盘7，完成整个零件的盘铣、插铣和侧铣加工。

本发明将盘铣、插铣和侧铣工艺高度集成，盘铣加工用于大余量的切除，开槽加工；插铣用于扩槽加工，曲面成形；侧铣用于半精加工，除棱清根。自主研发的大扭矩、高刚性盘/插铣双动力头结构，形成整体叶盘高效强力复合数控铣床，实现了一次装夹定位，即可完成整体叶盘的粗、半精加工。

机床的主要性能参数为：

完成加工产品范围为

机床MTBF：1500小时；

机床TK：15000小时。

铣削主轴最高转速≥8000r/min，扭矩≥900Nm；

盘铣最高转速：250r/min，扭矩≥19000Nm；

快移速度(X/Y/Z轴)≥20m/min；

工作台尺寸≥Φ800mm，承重≥1500kg；

控制轴数：7，工作通道：2，联动轴数：5。

机床主要行程参数：X轴行程≥2400mm，Y1轴行程≥2000mm，Y2轴行程≥2700mm，Z轴行程≥1800mm，A轴行程：-15°～105°，B轴行程：-90°～90°，C轴行程：0°～360°。

机床精度检测：X/Y/Z：±0.02/1000mm，A/B/C：±8〞；重复定位精度：X/Y/Z：0.016/1000mm，A/B/C：7〞。

Claims (6)

1.一种整体叶盘复合数控铣削垂直结构机床，包括插铣和侧铣装置(5)、夹具(8)、旋转工作台(9)、水平工作台、床身底座(17)和立柱(24)，其特征在于还包括盘铣装置(21)；整个机床有四个直线轴和三个旋转轴，四个直线轴分别是X轴、Y1轴、Y2轴和Z轴；三个旋转轴分别是A轴、B轴和C轴；Z轴伺服电机(1)固连在立柱(24)顶端，Z轴机床滑枕(3)和Z轴滚珠丝杠螺母副(2)用螺钉固连在立柱(24)前端，Z轴机床导轨(4)直接卡在Z轴机床滑枕(3)上，插铣和侧铣装置(5)通过螺钉及Z轴滚珠丝杠螺母副(2)固连在Z轴机床导轨(4)上后与Z轴机床滑枕(3)固连，然后固连在立柱(24)上；电主轴(6)通过轴承及支承轴与插铣和侧铣装置(5)相连接；Y2轴机床滑枕(18)和Y2轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副(13)通过螺钉紧固在床身底座(17)上，Y2轴机床导轨(14)直接卡在Y2轴机床滑枕(18)上，第二水平工作台(15)用螺钉固定在Y2轴机床导轨(14)上，X轴机床滑枕(11)及X轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副(16)用螺钉固定在第二水平工作台(15)上，X轴机床导轨(12)直接卡在X轴机床滑枕(11)上，第一水平工作台(10)用螺钉固定在X轴机床导轨(12)上，旋转工作台(9)用螺钉紧固在第一水平工作台(10)上，夹具(8)固定在旋转工作台(9)上，整体叶盘(7)装夹在夹具(8)上；Y1轴机床滑枕(19)和Y1轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副(22)用螺钉固定在立柱(24)左侧，Y1轴机床导轨(23)直接卡在Y1轴机床滑枕(19)上，盘铣装置(21)通过固定板及螺钉固连在Y1轴机床导轨(23)上，盘铣刀(20)通过键与铣刀轴固连，铣刀轴与盘铣装置(21)固连，盘铣刀(20)与盘铣装置(21)固连后形成整体；盘铣装置(21)沿Y1轴机床导轨(23)从立柱(24)左侧移动到插铣和侧铣装置(5)的左侧，盘铣装置(21)沿B轴旋转一定的角度，跟随插铣和侧铣装置(5)沿Z轴机床导轨(4)升降到一定高度，进行整体叶盘(7)第一个通道的盘铣加工，加工完第一个通道后，C轴旋转一定的角度进行整体叶盘(7)第二个通道的盘铣加工，如此往复，直至最后一个通道加工完成，盘铣装置(21)跟随插铣和侧铣装置(5)沿Z轴机床导轨(4)，升降至与立柱(24)左侧的另一段Y1轴机床导轨(23)同一高度处，然后盘铣装置(21)沿Y1轴机床导轨(23)退回到立柱(24)的左侧，完成盘铣加工。

2.根据权利要求1所述的整体叶盘复合数控铣削垂直结构机床，其特征在于：还包括控制系统，所述控制系统双通道七轴五联动；同时控制X轴、Y2轴、Z轴、B轴 和C轴实现盘铣的加工；同时控制X轴、Y2轴、Z轴、A轴和C轴，加上电主轴(6)的旋转实现插铣、侧铣的加工。

3.根据权利要求2所述的整体叶盘复合数控铣削垂直结构机床，其特征在于：所述X轴、Y1轴、Y2轴和Z轴采用光栅尺构成全闭环位置检测。

4.根据权利要求2所述的整体叶盘复合数控铣削垂直结构机床，其特征在于：所述A轴、C轴采用光电编码器构成全闭环角度检测，采用液压锁紧，实现任意角度定位后的夹紧。

5.根据权利要求2所述的整体叶盘复合数控铣削垂直结构机床，其特征在于：所述B轴采用鼠牙盘啮合定位锁紧，依靠伺服电机上的编码器实现半闭环角度检测。

6.根据权利要求2所述的整体叶盘复合数控铣削垂直结构机床，其特征在于：所述电主轴(6)含有内置编码器，通过编码器进行全闭环速度反馈。