CN103084637A

CN103084637A - 整体叶盘复合数控铣削折叠结构机床

Info

Publication number: CN103084637A
Application number: CN2013100423711A
Authority: CN
Inventors: 史耀耀; 辛红敏; 张军锋; 赵盼; 吴广; 李志山; 宁立群
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: CN103084637B

Abstract

本发明公开了一种整体叶盘复合数控铣削折叠结构机床，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（7）。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折叠结构机床

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折叠结构机床。

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折叠结构机床。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折叠结构机床，包括插铣和侧铣装置5、夹具10、旋转工作台11、水平工作台、床身底座20和立柱22，其特点是还包括盘铣装置7。机床整体呈L型结构，立柱22用螺钉固定在床身底座20的后端。Z轴机床导轨4卡在Z轴机床滑枕3上，Z轴机床滑枕3用螺钉固定在立柱22前端，插铣和侧铣装置5通过Z轴滚珠丝杠螺母副2和Z轴机床导轨4与Z轴机床滑枕3相连，最终与机床立柱22连接成为一体。Z轴伺服电机1固定在立柱22顶端，通过联轴器与Z轴滚珠丝杠螺母副2相联。电主轴6通过轴承和螺钉固定在插铣和侧铣装置5上。盘铣装置7通过螺钉及固定板紧固于插铣和侧铣装置5的前端，松开螺钉，盘铣装置可沿折叠装置21顺时针旋转180°。盘铣刀8通过键槽与铣刀轴固连，铣刀轴固定在盘铣装置7上。Y轴机床滑枕19和Y轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副14通过螺钉固定在床身底座20上，Y轴机床导轨18卡在Y轴机床滑枕19上，第二水平工作台16用螺钉固定在Y轴机床导轨18上，X轴机床滑枕13和X轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副17用螺钉固定在第二水平工作台16上，X轴机床导轨15卡在X轴机床滑枕13上，第一水平工作台12用螺钉固定在X轴机床导轨15上，旋转工作台11用螺钉固定在第一水平工作台12上，夹具10固定在旋转工作台11上，整体叶盘9装夹在夹具10上。

还包括控制系统，所述控制系统双通道六轴五联动。同时控制X轴、Y轴、Z轴、B轴和C轴实现盘铣的加工；同时控制X轴、Y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、Y轴和Z轴采用光栅尺构成全闭环位置检测。

所述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。

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折叠结构机床示意图。

图2是本发明整体叶盘复合数控铣削折叠结构机床折叠状态示意图。

图3是本发明整体叶盘复合数控铣削折叠结构机床局部放大示意图。

图4是本发明整体叶盘复合数控铣削折叠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-盘铣装置；8-盘铣刀；9-整体叶盘；10-夹具；11-旋转工作台；12-第一水平工作台；13-X轴机床滑枕；14-Y轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副；15-X轴机床导轨；16-第二水平工作台；17-X轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副；18-Y轴机床导轨；19-Y轴机床滑枕；20-床身底座；21-折叠装置；22-立柱。

具体实施方式

以下实施例参照图1～4。

本发明整体叶盘复合数控铣削折叠结构机床包括盘铣装置7、插铣和侧铣装置5、夹具10、旋转工作台11、水平工作台、床身底座20和立柱22。

机床整体呈L型结构，立柱22用螺钉安装在床身底座20的后端，约束六个自由度。Z轴机床导轨4卡在Z轴机床滑枕3上，Z轴机床滑枕3用螺钉安装在立柱22前端，插铣和侧铣装置5通过Z轴滚珠丝杠螺母副2和Z轴机床导轨4与Z轴机床滑枕3相连，最终与机床立柱22连接成为一体。Z轴伺服电机1安装在立柱22顶端，通过联轴器与Z轴滚珠丝杠螺母副2相联，由Z轴伺服电机1驱动Z轴滚珠丝杠螺母副2带动插铣和侧铣装置5沿Z轴机床滑枕3上下移动。电主轴6通过轴承和螺钉安装在插铣和侧铣装置5上。盘铣装置7通过螺钉及固定板安装紧固于插铣和侧铣装置5的前端，松开螺钉，盘铣装置可沿折叠装置21顺时针旋转180°。盘铣刀8通过键槽与铣刀轴连接，盘铣刀8通过铣刀轴最终安装于盘铣装置7上。Y轴机床滑枕19和Y轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副14通过螺钉安装在床身底座20上，Y轴机床导轨18卡在Y轴机床滑枕19上，第二水平工作台16用螺钉安装在Y轴机床导轨18上，X轴机床滑枕13和X轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副17用螺钉安装在第二水平工作台16上，X轴机床导轨15卡在X轴机床滑枕13上，第一水平工作台12用螺钉安装在X轴机床导轨15上，旋转工作台11用螺钉安装在第一水平工作台12上，夹具10安装在旋转工作台11上，整体叶盘9装夹在夹具10上。

本发明中采用840D数控系统，双通道六轴五联动。同时控制X轴、Y轴、Z轴、B轴和C轴实现盘铣加工；同时控制X轴、Y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、Y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9装夹在夹具10上，使整体叶盘9在X轴机床导轨15和Y轴机床导轨18的带动下移动至盘铣加工区域，盘铣装置7沿B轴旋转一定角度，由盘铣刀8进行整体叶盘9的盘铣加工。整体叶盘9的第一个通道加工完毕，整体叶盘9在C轴的带动下旋转一定的角度，进行第二个通道的加工，如此往复，直至最后一个通道加工完毕。整体叶盘9沿X轴机床导轨15和Y轴机床导轨18移动至插铣、侧铣加工区域，插铣和侧铣装置5沿A轴摆动一定的角度，进行整体叶盘9第一个通道的插铣加工，第一个通道插铣加工完毕，整体叶盘9在C轴的带动下旋转一定的角度，进行第二个通道的插铣加工，如此往复，直至最后一个通道加工完毕。根据数控系统设定的加工余量进行整体叶盘9的侧铣加工，步骤如插铣加工。加工完毕，将整体叶盘9沿X轴机床导轨15和Y轴机床导轨18退出加工区域，取下叶盘，转至下道工序。

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，Y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：0016/1000mm，A/B/C：7〞。

Claims

1.一种整体叶盘复合数控铣削折叠结构机床，包括插铣和侧铣装置（5）、夹具（10）、旋转工作台（11）、水平工作台、床身底座（20）和立柱（22），其特征在于还包括盘铣装置（7）；机床整体呈L型结构，立柱（22）用螺钉固定在床身底座（20）的后端；Z轴机床导轨（4）卡在Z轴机床滑枕（3）上，Z轴机床滑枕（3）用螺钉固定在立柱（22）前端，插铣和侧铣装置（5）通过Z轴滚珠丝杠螺母副（2）和Z轴机床导轨（4）与Z轴机床滑枕（3）相连，最终与机床立柱（22）连接成为一体；Z轴伺服电机（1）固定在立柱（22）顶端，通过联轴器与Z轴滚珠丝杠螺母副（2）相联；电主轴（6）通过轴承和螺钉固定在插铣和侧铣装置（5）上；盘铣装置7通过螺钉及固定板紧固于插铣和侧铣装置（5）的前端，松开螺钉，盘铣装置可沿折叠装置（21）顺时针旋转180°；盘铣刀（8）通过键槽与铣刀轴固连，铣刀轴固定在盘铣装置（7）上；Y轴机床滑枕（19）和Y轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副（14）通过螺钉固定在床身底座（20）上，Y轴机床导轨（18）卡在Y轴机床滑枕（19）上，第二水平工作台（16）用螺钉固定在Y轴机床导轨（18）上，X轴机床滑枕（13）和X轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副（17）用螺钉固定在第二水平工作台（16）上，X轴机床导轨（15）卡在X轴机床滑枕（13）上，第一水平工作台（12）用螺钉固定在X轴机床导轨（15）上，旋转工作台（11）用螺钉固定在第一水平工作台（12）上，夹具（10）固定在旋转工作台（11）上，整体叶盘（9）装夹在夹具（10）上。

2.根据权利要求1所述的整体叶盘复合数控铣削折叠结构机床，其特征在于：还包括控制系统，所述控制系统双通道六轴五联动；同时控制X轴、Y轴、Z轴、B轴和C轴实现盘铣的加工；同时控制X轴、Y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。

3.根据权利要求2所述的整体叶盘复合数控铣削折叠结构机床，其特征在于：所述X轴、Y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折叠结构机床，其特征在于：所述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。

5.根据权利要求2所述的整体叶盘复合数控铣削折叠结构机床，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折叠结构机床，其特征在于：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。

7.根据权利要求2所述的整体叶盘复合数控铣削折叠结构机床，其特征在于：所述A轴的旋转角度为-15°～105°。

8.根据权利要求2所述的整体叶盘复合数控铣削折叠结构机床，其特征在于：所述B轴的旋转角度为-90°～90°。

9.根据权利要求2所述的整体叶盘复合数控铣削折叠结构机床，其特征在于：所述C轴的旋转角度为0°～360°。