CN104440474A - 一种自适应修型叶片砂带抛磨机床 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应修型叶片砂带抛磨机床，包括床身、X轴拖板、Z轴拖板、C轴转台、Y轴滑块、砂带磨头部件及气缸等；其中，在砂带磨头部件与气缸之间串联设置了一种压力补偿元件，与气缸共同作用形成抛磨接触压力；加工时按照理想抛磨轨迹进行插补进给，由于存在叶片面型误差(或波纹度)，抛磨接触点会沿压力轴方向偏离理想抛磨轨迹，压力补偿元件的作用压力也会随之而变化，从而实现抛磨接触压力补偿，压力补偿元件可采用具有对置气垫的恒压式气浮支承，利用对置气垫的压力平衡作用实现抛磨接触压力的补偿效果。本发明的优点在于提高了压力补偿的响应速度，实现了叶片抛磨加工中面型误差(或波纹度)的自适应修正，提高了面型精度。
Description
技术领域
本发明属于机械加工技术领域，涉及一种用于叶片精加工的数控砂带抛磨机床，具体涉及一种自适应修型叶片砂带抛磨机床。
背景技术
叶片是航空航天发动机、汽轮机、涡轮、飞机引擎等设备的关键零部件，具有型面复杂，几何精度和表面质量要求高等特点。叶片加工时通常首先采用精铸、精锻或数控铣削进行粗加工或半精加工，同时由于叶片精度要求很高，还需通过后续的抛磨加工来提高面型精度，去除前道工序残留的刀痕，降低表面粗糙度，提高表面质量。传统的抛磨加工多采用手工抛磨的方法，不仅费时、费力、效率低下，且操作工人的技能经验有很高的要求，使其加工质量不易稳定。
鉴于此，实现叶片的数控抛磨，完成整个叶片加工工艺链的自动化和柔性化便成为叶片加工工艺及设备的发展方向。自上世纪50年代，国外一些专家通过研究指出砂带磨削比其它加工方法更能胜任叶片型面的精加工，因此，现有叶片抛磨机床主要采用了砂带磨床的形式。
国外如德国Metabo公司和美国Ex-Cell-O等公司已经开发出产品化的叶片砂带磨床。我国在该领域也进行了一定的研究，国家知识产权局公开的发明专利200910191541.6、200910190832.3、200810242767.X、ZL200710019843.6、ZL200810050541.X和实用新型专利ZL200720033896.9、ZL200520020307.4公开了几种不同结构形式的砂带抛磨机床，均采用恒定磨削力的形式，在加工过程中以等去除量的形式进行型面跟随式抛磨加工，很难对面型误差及波纹度误差进行修正。
中国发明专利ZL 200710056223.X公开了一种具有曲面适应性的叶片抛磨光整加工机床，采用三杆并联机构作为工作台，巧妙地利用和回避了并联机构在精度和刚性方面存在的不足，该发明所具备的曲目适应性能够实现抛磨过程中磨削力方向的自调整，但却不宜实现磨削力大小的精准控制，因此，也不易实现对波纹度的修正。
中国发明专利ZL 200610155853.8公开了一种五坐标自适应叶片抛光机，该发明将被抛叶片叶身放置在与其相吻合的软体模具中，在一定的压力夹持下并加入一定的抛光介质进行机械抛光作业，可避免人工横向抛光产生的横向抛光痕迹对产品疲劳寿命的降低，该发明能完成对叶片的抛光加工，但是由于软模本身具有一定的柔性，对于前道工序所产生的面型误差和波纹度均不易修正。
中国发明专利ZL 200610155853.8公开了一种用于叶片型面砂带柔性抛光机构，采用抛光力可控的砂带柔性磨头抛光工艺方法，该方法对抛光接触轮与叶片型面接触力进行实时监测和控制，避免了刚性冲击及过切现象，可以去除铣削后所产生的表面波纹，从而实现在抛光的同时完成表面修型的目的。但是该方法对力传感器的分辨率和响应速度及气缸压力控制回路的控制精度都提出了较高的要求，而反馈式压力控制的特点决定了接触压力的调整不可避免的具有一定的滞后性，从而可能会引入一定的误差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺点，提供了一种自适应修型叶片砂带抛磨机床，可根据叶片的实际面型误差和波纹度实现抛磨接触压力的同步自适应调整，能在一定程度上实现面型误差和波纹度修正。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种自适应修型叶片砂带抛磨机床，包括床身、立柱、X轴拖板、Z轴拖板、C轴转台、顶尖座、Y轴滑块、压力轴滑板、压力轴导轨和砂带磨头部件；其中，
X轴拖板由安装在床身上的X轴导轨导向，并由安装在床身内的X轴丝杠传动部件驱动，能够沿前后方向水平运动，在X轴拖板上端沿与X轴垂直方向安装Z轴导轨，Z轴拖板由Z轴导轨导向并由安装在X轴拖板内的Z轴丝杠传动部件驱动，能够沿左右方向水平运动，立柱安装在床身上端后侧，Y轴导轨沿竖直方向安装在立柱前端面上，Y轴滑块由Y轴导轨导向，并由安装在立柱内的Y轴丝杠传动部件驱动，能够沿竖直方向运动；
在Z轴拖板上端左侧设置C轴转台，加工时叶片在榫头部位由安装在C轴转台上的夹具夹紧，并由顶尖座沿摆动轴回转轴线方向将其顶紧，C轴转台、顶尖座与叶片的回转轴线同轴，顶尖座安装在顶尖座拖板上，顶尖座拖板与导向块之间采用燕尾导轨配合，顶尖座拖板带动顶尖座能够沿其轴线移动，导向块安装在Z轴拖板上端右侧；
压力轴滑板由沿X方向设置在Y轴滑块上端面的压力轴导轨导向，能够沿前后方向水平移动，砂带磨头部件安装在压力轴滑板上端。
本发明进一步的改进在于：Y轴滑块下设置气缸，气缸活塞杆穿过转接板上的通孔，并在气缸活塞杆前端设置螺母对转接板进行限位，转接板同时与压力轴滑板采用螺钉固定连接，在转接板与气缸活塞杆之间串联设置压力补偿元件，压力补偿元件一端与转接板连接，另一端与气缸活塞杆连接。
本发明进一步的改进在于：压力轴导轨采用气浮导轨，气缸采用恒压气缸，在转接板与气缸活塞杆的结合部位设置石墨导套以减小摩擦，所述的压力补偿元件采用具有对置气垫的恒压式气浮支承；在受到叶片表面型面误差影响时，砂带磨头部件带动压力轴滑板及转接板)能够沿X方向发生微米量级的移动，串联设置在转接板与气缸活塞杆之间的恒压式气浮支承利用自身对置气垫的压力平衡作用实现压力补偿。
本发明进一步的改进在于：砂带磨头部件包括基板和设置在基板上的接触轮支架、驱动轮支架和张紧轮支架，接触轮、驱动轮和张紧轮分别设置在接触轮支架、驱动轮支架和张紧轮支架上，砂带包络在接触轮、驱动轮和张紧轮外侧，通过调整张紧轮的位置调整砂带的张紧力，砂带的运动方向位于垂直于叶片回转轴线的平面内，基板与压力轴滑板固定连接，在基板上安装变频无级调速交流电机，其通过同步带传动部件变速后带动驱动轮转动。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点：
本发明在恒压气缸的活塞杆与砂带磨头部件之间串联设置了压力补偿元件，由恒压气缸与压力补偿元件共同作用形成抛磨接触压力，砂带对叶片的理论抛磨轨迹按照叶片的理想型面生成，数控系统按照该理论抛磨轨迹实现X轴、Y轴、Z轴及C轴的四轴联动插补进给运动，在加工过程中，由于叶片本身面型误差及波纹度的存在，抛磨接触点会沿压力轴方向而偏离理论抛磨轨迹，此时，恒压气缸始终保持恒定的压力值，而压力补偿元件的作用压力则会随着偏离量的变化而发生变化，从而实现抛磨接触压力补偿。在抛磨接触点朝叶片自身偏离时(实际型面相对理想型面为凹陷状态时)，压力补偿元件会随之减小作用压力，从而减小抛磨去除量，而在抛磨接触点远离叶片自身时(实际型面相对理想型面为凸起状态时)，压力补偿元件会随之增大作用压力，从而增大抛磨去除量。本发明的优点还在于进一步提出可采用具有对置气垫的恒压式气浮支承作为压力补偿元件，利用对置气垫的压力平衡作用实现上述抛磨接触压力补偿效果。在以往公开的采用传感器检测抛磨接触压力并通过调节气缸的气压而实现压力补偿的方法中，由于传感器检测反馈及气压调节的响应时间而存在一定的滞后性。本发明将对置气垫的恒压式气浮支承作为压力补偿元件，避免了控制系统的响应时间而引入的滞后问题，提高了压力补偿的响应速度，由于本发明中气缸自身处于恒压工作状态，也提高了其稳定性。综上所述，本发明通过对抛磨接触压力的实时修正实现了叶片抛磨加工的自适应修型，在实现叶片抛光的前提下，可以在一定程度上修正叶片表面的面型误差和波纹度，提高叶片的面型精度。
附图说明
图1为本发明自适应修型叶片砂带抛磨机床的结构示意图；
图2为本发明中压力轴部件的结构示意图；
图3为本发明中压力轴部件的剖视图；
图4为本发明中砂带磨头的结构示意图；
图5为本发明中具有对置气垫的恒压式气浮支承原理图；
图6为本发明自适应修型叶片砂带抛磨机床的工作原理图。
图中各标号的名称分别为：1为床身，2为X轴导轨，3为X轴丝杠传动部件，4为X轴拖板，5为Z轴导轨，6为Z轴拖板，7为C轴转台，8为夹具，9为叶片，10为砂带磨头部件，10-1为安装基板，10-2为张紧轮安装支架，10-3为张紧轮，10-4为同步带传动部件，10-5为驱动轮，10-6为驱动轮安装支架，10-7为接触轮安装支架，10-8为接触轮，10-9为砂带，10-10为变频无级调速交流电机，11为Y轴丝杠传动部件，12为Y轴导轨，13为立柱，14为压力轴滑板，15为Y轴滑块，16为顶尖座，17为顶尖座拖板，18为导向块，19为Z轴丝杠传动部件，20为压力轴导轨，21为气缸，22为气缸活塞杆，23为压力补偿元件，24为螺母，25为转接板，231为动子，232为左气膜，233为节流器，234为定子，235为右气膜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明，但本发明的实际结构并不仅限于下述的实施例。
参见图1～3，本发明一种自适应修型叶片砂带抛磨机床，包括床身1、立柱13、X轴拖板4、Z轴拖板6、C轴转台7、顶尖座16、Y轴滑块15、压力轴滑板14、压力轴导轨20和砂带磨头部件10。
其中，X轴拖板4由安装在床身1上的X轴导轨2导向，并由安装在床身1内的X轴丝杠传动部件3驱动，能够沿前后方向水平运动，在X轴拖板4上端沿与X轴垂直方向安装Z轴导轨5，Z轴拖板6由Z轴导轨5导向并由安装在X轴拖板4内的Z轴丝杠传动部件19驱动，能够沿左右方向水平运动，立柱13安装在床身1上端后侧，Y轴导轨12沿竖直方向安装在立柱13前端面上，Y轴滑块15由Y轴导轨12导向，并由安装在立柱13内的Y轴丝杠传动部件11驱动，能够沿竖直方向运动；在Z轴拖板6上端左侧设置C轴转台7，加工时叶片9在榫头部位由安装在C轴转台7上的夹具8夹紧，并由顶尖座16沿摆动轴回转轴线方向将其顶紧，C轴转台7、顶尖座16与叶片9的回转轴线同轴，顶尖座16安装在顶尖座拖板17上，顶尖座拖板17与导向块18之间采用燕尾导轨配合，顶尖座拖板17带动顶尖座16能够沿其轴线移动，导向块18安装在Z轴拖板6上端右侧；压力轴滑板14由沿X方向设置在Y轴滑块15上端面的压力轴导轨20导向，能够沿前后方向水平移动，砂带磨头部件10安装在压力轴滑板14上端。
参见图2～3，所述的Y轴滑块15下设置气缸21，气缸活塞杆22气缸活塞杆22穿过转接板25上的通孔，并在气缸活塞杆22前端设置螺母24对转接板25进行限位，转接板25同时与压力轴滑板14采用螺钉固定连接，在转接板25与气缸活塞杆22之间串联设置压力补偿元件23，压力补偿元件23一端与转接板25连接，另一端与气缸活塞杆22连接。
本发明中所述的压力轴导轨20采用气浮导轨，所述的气缸21采用恒压气缸，在转接板25气缸活塞杆22的结合部位可设置石墨导套以减小摩擦，所述的压力补偿元件23可采用具有对置气垫的恒压式气浮支承，在受到叶片9表面型面误差影响时，砂带磨头部件10带动压力轴滑板14及转接板25能够沿X方向发生微米量级的移动，串联设置在转接板25与气缸活塞杆22之间的恒压式气浮支承可利用自身对置气垫的压力平衡作用实现压力补偿。
参见图1和图4，所述的砂带磨头部件10包括基板10-1和设置在基板10-1上的接触轮支架10-7、驱动轮支架10-6和张紧轮支架10-2，接触轮10-8、驱动轮10-5和张紧轮10-3分别设置在接触轮支架10-7、驱动轮支架10-6和张紧轮支架10-2上，砂带10-9包络在接触轮10-8、驱动轮10-5和张紧轮10-3外侧，通过调整张紧轮10-3的位置调整砂带10-9的张紧力，砂带10-9的运动方向位于垂直于叶片9回转轴线的平面内，基板10-1与压力轴滑板14固定连接，在基板10-1上安装变频无级调速交流电机10-10，其通过同步带传动部件10-4变速后带动驱动轮10-5转动。
本发明在实际结构设计当中，要求接触轮外圆砂带的抛磨加工点处于压力轴气缸活塞的轴线上。另外，设置配重部件用于平衡竖直轴运动部件的重力。
本发明中所述的具有对置气垫的恒压式气浮支承的工作原理如图5所示，当定子234与动子231之间沿X方向产生相对位移时，左气膜232与右气膜235的厚度会发生变化，在节流器233作用下，气膜压力也会随之发生变化；当左气膜232的厚度减小而右气膜235的厚度增加时，动子231会受到一个沿X负方向的压力增量，反之，当左气膜232的厚度增加而右气膜235的厚度减小时，动子231会受到一个沿X正方向的压力增量。在本发明的具体实施中，当采用具有对置气垫的恒压式气浮支承作为压力补偿元件23时，可将其定子234与气缸活塞杆22连接，动子231与转接板25连接，则压力补偿元件23的作用压力等于左气膜232的气膜压力与右气膜235的气膜压力的差值；在加工开始时，由于接触轮10-8与叶片9预压的作用，右气膜235的厚度大于左气膜232的厚度，在加工过程中当抛磨接触点朝叶片自身偏离时(实际型面相对理想型面为凹陷状态时)，即动子231相对定子234向X负方向偏移时，左气膜232的厚度增加，其气膜压力减小，右气膜235的厚度减小，其气膜压力增大，则压力补偿元件23的作用压力随之减小，抛磨去除量也随之减小；反之，当抛磨接触点远离叶片自身时(实际型面相对理想型面为凸起状态时)，即动子231相对定子234向X正方向偏移时，左气膜232的厚度减小，其气膜压力增大，右气膜235的厚度增加，其气膜压力减小，即压力补偿元件23的作用压力随之增大，抛磨去除量也随之增大；所述左气膜232与右气膜235的气膜设计厚度为15～30微米。
本发明所述的一种自适应修型叶片砂带抛磨机床的工作过程如下：首先由叶片9的理想型面生成加工轨迹，在加工起始时，接触轮10-8与叶片9之间进行预压，即气缸21处于恒定工作压力状态，通过X轴拖板4带动砂带磨头部件10的进给调整使压力补偿元件23存在一定的预压力，加工时通过数控系统控制使X轴、Y轴、Z轴和C轴实现联动插补，使接触轮10-8与加工型面的理论接触点沿着由叶片9的理想型面生成的加工轨迹进行插补运动，在该过程中，气缸21保持恒定的工作压力，而压力补偿元件23根据上述原理自适应调整压力大小，接触轮10-8与加工型面之间的法向压力Fpg在加工过程中的变化趋势如图6所示，抛磨去除量也会随着Fpg的变化而发生变化，从而实现了叶片抛磨加工的自适应修型，在保证实现叶片抛光的前提下，可以在一定程度上修正叶片表面的面型误差和波纹度，提高叶片的面型精度。
Claims (4)
1.一种自适应修型叶片砂带抛磨机床，其特征在于：包括床身(1)、立柱(13)、X轴拖板(4)、Z轴拖板(6)、C轴转台(7)、顶尖座(16)、Y轴滑块(15)、压力轴滑板(14)、压力轴导轨(20)和砂带磨头部件(10)；其中，
X轴拖板(4)由安装在床身(1)上的X轴导轨(2)导向，并由安装在床身(1)内的X轴丝杠传动部件(3)驱动，能够沿前后方向水平运动，在X轴拖板(4)上端沿与X轴垂直方向安装Z轴导轨(5)，Z轴拖板(6)由Z轴导轨(5)导向并由安装在X轴拖板(4)内的Z轴丝杠传动部件(19)驱动，能够沿左右方向水平运动，立柱(13)安装在床身(1)上端后侧，Y轴导轨(12)沿竖直方向安装在立柱(13)前端面上，Y轴滑块(15)由Y轴导轨(12)导向，并由安装在立柱(13)内的Y轴丝杠传动部件(11)驱动，能够沿竖直方向运动；
在Z轴拖板(6)上端左侧设置C轴转台(7)，加工时叶片(9)在榫头部位由安装在C轴转台(7)上的夹具(8)夹紧，并由顶尖座(16)沿摆动轴回转轴线方向将其顶紧，C轴转台(7)、顶尖座(16)与叶片(9)的回转轴线同轴，顶尖座(16)安装在顶尖座拖板(17)上，顶尖座拖板(17)与导向块(18)之间采用燕尾导轨配合，顶尖座拖板(17)带动顶尖座(16)能够沿其轴线移动，导向块(18)安装在Z轴拖板(6)上端右侧；
压力轴滑板(14)由沿X方向设置在Y轴滑块(15)上端面的压力轴导轨(20)导向，能够沿前后方向水平移动，砂带磨头部件(10)安装在压力轴滑板(14)上端。
2.根据权利要求1所述的自适应修型叶片砂带抛磨机床，其特征在于：Y轴滑块(15)下设置气缸(21)，气缸活塞杆(22)穿过转接板(25)上的通孔，并在气缸活塞杆(22)前端设置螺母(24)对转接板(25)进行限位，转接板(25)同时与压力轴滑板(14)采用螺钉固定连接，在转接板(25)与气缸活塞杆(22)之间串联设置压力补偿元件(23)，压力补偿元件(23)一端与转接板(25)连接，另一端与气缸活塞杆(22)连接。
3.根据权利要求2所述的自适应修型叶片砂带抛磨机床，其特征在于：压力轴导轨(20)采用气浮导轨，气缸(21)采用恒压气缸，在转接板(25)与气缸活塞杆(22)的结合部位设置石墨导套以减小摩擦，所述的压力补偿元件(23)采用具有对置气垫的恒压式气浮支承；在受到叶片(9)表面型面误差影响时，砂带磨头部件(10)带动压力轴滑板(14)及转接板(25)能够沿X方向发生微米量级的移动，串联设置在转接板(25)与气缸活塞杆(22)之间的恒压式气浮支承利用自身对置气垫的压力平衡作用实现压力补偿。
4.根据权利要求1所述的自适应修型叶片砂带抛磨机床，其特征在于：砂带磨头部件(10)包括基板(10-1)和设置在基板(10-1)上的接触轮支架(10-7)、驱动轮支架(10-6)和张紧轮支架(10-2)，接触轮(10-8)、驱动轮(10-5)和张紧轮(10-3)分别设置在接触轮支架(10-7)、驱动轮支架(10-6)和张紧轮支架(10-2)上，砂带(10-9)包络在接触轮(10-8)、驱动轮(10-5)和张紧轮(10-3)外侧，通过调整张紧轮(10-3)的位置调整砂带(10-9)的张紧力，砂带(10-9)的运动方向位于垂直于叶片(9)回转轴线的平面内，基板(10-1)与压力轴滑板(14)固定连接，在基板(10-1)上安装变频无级调速交流电机(10-10)，其通过同步带传动部件(10-4)变速后带动驱动轮(10-5)转动。
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