CN103612186A - 一种用于复杂曲面的砂带研磨装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于复杂曲面的砂带研磨装置，包括X轴床身、Y轴床身、Z轴床身、工作台组件、磨头座和磨头组件；本发明通过砂带缠绕在放卷轮、收卷轮、接触轮及中间过渡轮系上，在这些轮系的共同作用下，砂带能够产生一定速率的磨削运动。通过六轴联动的方式驱动接触轮，本方法能够实现航空发动机叶片等具有复杂曲面结构的工件只做进给运动的条件下，进行纵横两个方向的磨削加工，而纵向磨削加工所产生的磨纹能够改善工件的疲劳强度等力学性能，获得很好的加工效果。通过六轴联动的控制方式，还能够实现复杂曲面结构的工件其他部位如叶片的根部、曲面的边缘等的加工。

Description

一种用于复杂曲面的砂带研磨装置

技术领域

本发明属于砂带磨削技术领域，具体涉及一种用于复杂曲面的砂带研磨装置。

背景技术

砂带磨削技术是利用进行磨削运动的砂带作为磨具对被加工物表面进行研磨抛光的技术，它是一种弹性加工，具有许多其他加工手段不可比拟的优势，在一些特殊工件加工方面，它有着不可替代的作用。随着砂带磨削技术和装置的快速发展，砂带研磨机床已经发展为一种加工效率高、适应性强、应用范围广、使用成本低、操作安全方便的精加工设备。特别是对于加工如航空发动机叶片等具有复杂曲面的薄壁结构件，小尺寸的复杂型面、面间接合部位的研磨加工，其优势尤为明显。通常来讲，砂带研磨机床是由驱动装置带动砂带运动，通过一定数量的张紧轮将砂带张紧，通过接触轮或支承板提供压力产生对工件的接触压力并形成切削角度，完成对工件的研磨加工。

在我国，由于研磨技术和研磨装置的相对落后，以及具有复杂几何形状表面的工件的难加工性，这类工件（如航空发动机叶片和汽轮机叶片等异形结构工件）的研磨加工往往是通过人工手持加工刀具或工件进行的。虽然在一定程度上这样的方法能够完成复杂曲面的研磨抛光，但是加工质量因操作人员的自身条件而参差不齐，往往导致加工出的工件质量管控难、精度较低、型面质量较差、产品一致性很难保证。同时，传统方法磨削得到的航空发动机叶片，其表面磨削纹路多为横向纹路，而研究表面，若叶片具有纵向纹路，其疲劳强度较传统磨削加工叶片将有很大的改善。

为了实现砂带磨削技术在复杂曲面加工的广泛应用，重庆大学、重庆市材料表面精密加工及成套装备工程技术研究中心对精密砂带研磨特性、曲轴连杆颈砂带随动研磨、船用螺旋桨叶片和航空发动机叶片砂带磨削做了相关研究。此外，吉林大学对自由曲面砂带研磨、叶片双面砂带磨削工艺进行了相关探索，华中科技大学也对轮毂复杂曲面砂带磨削进行了相关研究。

但是，上述研究的成果尚未形成很好的砂带研磨装置以应对以航空发动机叶片为代表的复杂表面异形结构工件的研磨加工，国内也尚未应用能加工此类工件的专用砂带研磨装置，对于航空发动机叶片纵向磨削从而改善其疲劳强度等力学性能的需求还无法满足。从更大的范围来看，对于一些特殊的零件，在加工时不能快速旋转又不能用高速运动的刀具进行磨削时，现阶段只能进行低效率的手工打磨。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于复杂曲面的砂带研磨装置，其在加工具有复杂表面异形结构工件时，能够满足工件不快速旋转，砂带没有较高的切削速度的条件下的加工要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于复杂曲面的砂带研磨装置，包括X轴床身、Y轴床身、Z轴床身、工作台组件、磨头座和磨头组件。

所述X轴床身上表面的一端沿X轴方向平行设有两根X轴导轨；Z轴床身的底部通过X轴滑动底座以单自由度配合的方式滑动安装在X轴导轨上；Y轴床身设置在X轴床身上表面的另一端，在Y轴床身上表面沿Y轴方向平行设有两根Y轴导轨，工作台组件通过Y轴滑动底座以单自由度配合的方式滑动安装在Y轴导轨上。

在所述Z轴床身上、且面向Y轴床身3的一侧平行设有两根Z轴导轨，Z轴滑动底座以单自由度配合的方式滑动安装在Z轴导轨上，在Z轴滑动底座上设有弧形导轨，在该弧形导轨上安装有弧形齿条；所述磨头座的下端铰接在Z轴滑动底座上，磨头座的上端滑动安装在弧形导轨上；所述磨头组件铰接在磨头座上。

所述磨头组件包括磨头架、收卷轮、放卷轮、摆杆、浮动轴、接触杆和砂带；所述收卷轮和放卷轮对称设置在磨头架上；摆杆的中心铰接在磨头架的中间线上，摆杆的两端分别设有导向轮；接触杆的下端设有接触轮，接触杆的上端与浮动轴的下端连接,浮动轴的上端固定在磨头架上；在接触轮与导向轮之间设有张紧轮，在张紧轮与导向轮之间设有过渡轮a，在张紧轮与接触轮之间设有过渡轮b，张紧轮、过渡轮a和过渡轮b均为两个以上的双数、且相对于磨头架中间线对称设置；所述砂带以带卷的形式缠绕在放卷轮上，砂带的卷出端绕过过渡轮a、导向轮、张紧轮、过渡轮b和接触轮后缠绕在放卷轮上。

采用本发明技术方案，具有如下有益效果：

本发明中，砂带缠绕在放卷轮、收卷轮、接触轮及中间过渡轮系上，在这些轮系的共同作用下，砂带能够产生一定速率的磨削运动。通过六轴联动的方式驱动接触轮,本方法能够实现航空发动机叶片等具有复杂曲面结构的工件只做进给运动的条件下，进行纵横两个方向的磨削加工，而纵向磨削加工所产生的磨纹能够改善工件的疲劳强度等力学性能，获得很好的加工效果。通过六轴联动的控制方式，还能够实现复杂曲面结构的工件其他部位如叶片的根部、曲面的边缘等的加工。

 

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为图1沿A向视图。

图3为关键结构（磨头组件）示意图。

图4为图3沿B向视图。

其中，1为X轴床身1，2为Y轴电机，3为Y轴床身，4为工作台组件，5为磨头组件，6为磨头座电机，7为磨头座，8为磨头组件电机，9为Z轴电机，10为Z轴床身，11为Z轴滑动底座，12为X轴滑动底座，13为X轴导轨，14为X轴电机，15为Y轴滑动底座，16为工作台电机，17为工作夹具，18为弧形导轨，19为弧形齿条，20为铰链a，21为被加工工件，22为Z轴导轨，23为Y轴导轨，24为接触轮，25为过渡轮b，26为张紧轮，27为过渡轮a，28为导向轮，29为收卷轮，30为铰链b，31为放卷轮，32为摆杠，33为磨头架，35为浮动轴，38为接触杆，39为砂带。

 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，用于复杂曲面的砂带研磨装置，包括X轴床身1、Y轴床身3、Z轴床身10、工作台组件4、磨头座7和磨头组件5。

在X轴床身1上表面的一端沿X轴方向平行设有两根X轴导轨13，在X轴导轨13上滑动安装有X轴滑动底座12，该X轴滑动底座12与X轴导轨13单自由度配合，X轴滑动底座12可由X轴电机14带动滚珠丝杠驱动，在X轴导轨13上滑动。Z轴床身10的底部安装在X轴滑动底座12上，Z轴床身10能在X轴导轨13上滑动。

Y轴床身3设置在X轴床身1上表面的另一端，在Y轴床身3上表面沿Y轴方向平行设有两根Y轴导轨23，Y轴导轨23上滑动安装有Y轴滑动底座15，该Y轴滑动底座15与Y轴导轨23单自由度配合，在Y轴床身3后端装有Y轴电机2，Y轴电机2带动丝杠使Y轴滑动底座15沿Y轴导轨23滑动。工作台组件4安装在Y轴滑动底座15上，工作台组件4能在Y轴导轨23上滑动。

工作台组件4包括支撑台和工件夹具17，支撑台的下端安装在Y轴滑动底座15上，工件夹具17的一端安装在支撑台的上端，另一端为可夹持工件的夹持部。在工作台组件4的侧部安装有工作台电机16，该工作台电机16的输出端通过传动装置与工件夹具17连接，驱动工件夹具17转动，实现工件夹具17绕X轴的转动自由度。

在Z轴床身10上、且面向Y轴床身3的一侧平行设有两根Z轴导轨22，Z轴滑动底座11以单自由度配合的方式滑动安装在Z轴导轨22上。Z轴电机9安装在Z轴床身10的顶端，Z轴电机9通过驱动丝杠使Z轴滑动底座11沿Z轴方向滑动。在Z轴滑动底座11上设有弧形导轨18，弧形导轨18为单轨，在弧形导轨11上安装有弧形齿条19。磨头座7的下端通过铰链a20铰接在Z轴滑动底座11上，磨头座7的上端滑动安装在弧形导轨18上。在磨头座7上安装有磨头组件电机8，该磨头组件电机8通过驱动传动装置带动磨头组件5以铰链a20为中心，沿弧形导轨18转动，从而实现磨头组件5绕Y轴方向的转动自由度。

为了实现磨头组件5绕Z轴转动的自由度，本实施例中，磨头组件5通过铰链b30与磨头座7铰接，在磨头座的下端的背面设有齿轮，磨头座电机6驱动磨头座下端的齿轮转动，齿轮与磨头座7上端背面的弧形齿条19啮合，从而实现磨头组件5绕铰链b30的转动。

参见图3和图4，磨头组件5包括磨头架33、收卷轮29、放卷轮31、摆杆32、浮动轴35和接触杆38。收卷轮29和放卷轮31对称设置在磨头架33上。摆杆32为直横杆结构，摆杆32的中心铰接在磨头架33上、且位于磨头架33的中间线位置，在加工时，摆杆32与磨头组件的相对运动为零。摆杆32的两端分别设有导向轮28。接触杆38的下端设有接触轮24，接触杆38的上端与浮动轴35连接，浮动轴35的上端固定在磨头架33上，浮动轴35与气动装置中气缸的杆相连，在加工时，通过调节气动装置的气压，从而保证浮动轴在加工复杂曲面时，砂带与被加工工件接触的压力恒定。在接触轮24与导向轮28之间设有张紧轮26，在张紧轮26与导向轮28之间设有过渡轮a27，在张紧轮26与接触轮24之间设有过渡轮b25，张紧轮26均为两个以上的双数、且相对于磨头架33中间线对称设置。本实施例中，张紧轮26、过渡轮a27和过渡轮b25均为两个。

磨头组件5整体以接触杆38、横向摆杆32的中心所在的直线为轴对称布置。

加工时，工件由工件夹具夹持，位于接触轮的下方，接触轮由机床的六轴联动方式驱动，在工件的上表面运动，对工件进行磨削。

砂带39以带卷的形式缠绕在放卷轮31上，砂带的卷出端绕过右侧的过渡轮a、导向轮28、张紧轮29、过渡轮b和接触轮，再绕过左侧的过渡轮b、张紧轮、导向轮和过渡轮a而缠绕在收卷轮29上。在加工时，由摆杠电机（图中未画出）驱动摆杠绕其中点在一定范围内摆动，位于摆杠两端的导向轮牵扯张紧的砂带，从而改变两个导向轮之间砂带的张紧形状。即摆杠的一端上升，另一下降，使处于上升端一侧的砂带张紧长度增加，下降端一侧的砂带张紧长度减少，在摆杠两端交替上升和下降的过程中，砂带左右两侧的张紧长度也交替增减，这种砂砂带两侧张紧长度的周期变化，使得接触轮在砂带的带动下不断周期性反向转动；该过程对于接触轮下方绕过的砂带来说就是一个以一定频率不断反射的周向摆动过程，而对于被加工工件表面来说，摆杠的周向摆动表现为对被加工工件表面以一定频率不断反向的磨削运动。

本实施例中，当参与加工的砂带由于磨损或其他原因需要更换时，放卷轮31顺时针转动，收卷轮29逆时针转动，即可将一段新的砂带露出，旧的砂带盘回。

本发明通过六个自由度加上浮动轴37的作用实现对复杂曲面工件的磨削处理，并且由于特殊的磨削运动形式，在适合的进给参数条件下能够实现普通磨削机床在加工此类工件中不易实现的纵向磨削。

六个自由度为：Z轴床身通过X轴滑动底座安装在X轴导轨上，实现Z轴床身在X轴方向的轴向移动；工作台组件4的工件夹具由工作台电机16驱动，实现工件夹具绕X轴的转动自由度；工作台组件4在Y轴导轨23上滑动，实现工件在Y轴方向的轴向移动；磨头组件5由磨头组件电机8驱动以铰链a20为中心，沿弧形导轨18转动，从而实现磨头组件5绕Y轴方向的转动自由度；Z轴滑动底座滑动安装在Z轴导轨上，实现Z轴滑动底座在Z轴方向的轴向移动；磨头组件5通过铰链b30与磨头座7铰接，由磨头座电机6驱动，从而实现磨头组件5绕铰链b30的转动。本实施例中，接触轮24及其支撑结构(支撑结构为卡住接触轮的支架)以可拆卸方式安装在接触杆38上，可以根据需要，适当更换不同的接触轮24，应用较小的接触轮24，可磨削叶片根部及其他狭小部位，适用于异形体的磨削。

本实施例中，还包括了工件运送装置、护罩、电气装置及数控系统。在各个自由度运动副中均在极限位置设有限位开关，张紧机构（两对张紧轮）和浮动轴也安装有气动装置，气动装置的进气道设置有进气电磁阀，所述进气阀的控制机构连接到数控系统，各个自由度的联动控制也是由数控系统实现的。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种用于复杂曲面的砂带研磨装置，其特征在于，包括X轴床身（1）、Y轴床身（3）、Z轴床身（10）、工作台组件（4）、磨头座（7）和磨头组件（5）；

所述X轴床身（1）上表面的一端沿X轴方向平行设有两根X轴导轨（13）；Z轴床身（10）的底部通过X轴滑动底座（12）以单自由度配合的方式滑动安装在X轴导轨（13）上；Y轴床身（3）设置在X轴床身（1）上表面的另一端，在Y轴床身（3）上表面沿Y轴方向平行设有两根Y轴导轨（23），工作台组件（4）通过Y轴滑动底座（15）以单自由度配合的方式滑动安装在Y轴导轨（23）上；

在所述Z轴床身（10）上、且面向Y轴床身（3）的一侧平行设有两根Z轴导轨（22），Z轴滑动底座（11）以单自由度配合的方式滑动安装在Z轴导轨（22）上，在Z轴滑动底座（11）上设有弧形导轨（18），在该弧形导轨（18）上安装有弧形齿条（19）；所述磨头座（7）的下端铰接在Z轴滑动底座（11）上，磨头座（7）的上端滑动安装在弧形导轨（18）上；所述磨头组件（5）铰接在磨头座（7）上；

所述磨头组件（5）包括磨头架（33）、收卷轮（29）、放卷轮（31）、摆杆（32）、浮动轴（35）、接触杆（38）和砂带（39）；所述收卷轮（29）和放卷轮（31）对称设置在磨头架（33）上；摆杆（32）的中心铰接在磨头架（33）的中间线上，摆杆（32）的两端分别设有导向轮（28）；接触杆（38）的下端设有接触轮（24），接触杆（38）的上端与浮动轴（35）的下端连接,浮动轴（35）的上端固定在磨头架（33）上；在接触轮（24）与导向轮（28）之间设有张紧轮（26），在张紧轮（26）与导向轮（28）之间设有过渡轮a（27），在张紧轮（26）与接触轮（24）之间设有过渡轮b（25），张紧轮（26）、过渡轮a（27）和过渡轮b（25）均为两个以上的双数、且相对于磨头架（33）中间线对称设置；所述砂带（39）以带卷的形式缠绕在放卷轮（31）上，砂带（39）的卷出端绕过过渡轮a（27）、导向轮（28）、张紧轮（26）、过渡轮b（25）和接触轮（24）后缠绕在放卷轮（31）上。

2.根据权利要求1所述的用于复杂曲面的砂带研磨装置，其特征在于，所述工作台组件（4）包括支撑台和工件夹具(17)，支撑台的下端安装在Y轴滑动底座(15)上，工件夹具(17)的一端安装在支撑台的上端，另一端为可夹持工件的夹持部。

3.根据权利要求2所述的用于复杂曲面的砂带研磨装置，其特征在于，所述工件夹具（17）的夹持部位于接触轮（24）的下方。

4.根据权利要求1所述的用于复杂曲面的砂带研磨装置，其特征在于，所述接触轮（24）可拆卸的安装在接触杆（38）的下端。

5.根据权利要求1所述的用于复杂曲面的砂带研磨装置，其特征在于，所述弧形导轨（18）为单轨。

6.根据权利要求1所述的用于复杂曲面的砂带研磨装置，其特征在于，所述磨头座（7）的下端通过铰链a（20）铰接在Z轴滑动底座（11）上，在磨头座（7）的下端背面设有齿轮，该齿轮与位于磨头座（7）上端背面的弧形齿条（19）啮合。

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