CN104924181A - 一种利用圆柱坐标三轴联动机床实现带榫头叶片全型面磨削的方法和装置 - Google Patents

一种利用圆柱坐标三轴联动机床实现带榫头叶片全型面磨削的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用圆柱坐标三轴联动机床实现带榫头叶片全型面磨削的方法和装置,其要点是将叶片以榫头朝上的方式安装在数控机床的一个旋转轴上,通过机床另外两个直线轴与上述回转轴构成3坐标圆柱坐标机床,用于驱动一种蝶形砂轮进行叶片的全型面磨削加工,砂轮的旋转轴与机床的旋转工作台或旋转轴的轴线不平行或垂直,可以避免缩短砂轮长度和实现对长叶片进行加工,该方法可以只需要三个运动轴就可以实现叶片的榫头和型面的全面加工,利用该方法构造的机床具有远低于五轴联动数控机床的成本,采用多个主轴和回转轴构成方阵结构可以同时在一台机床上加工多个叶片零件,可显著提高机床的生产效率。

Description

一种利用圆柱坐标三轴联动机床实现带榫头叶片全型面磨削的方法和装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种一端带缘板和榫头的叶片的全型面磨削加工方法和装置,尤其涉及一种利用圆柱坐标三轴联动机床实现带榫头叶片全型面磨削的方法和装置,属于叶片机械加工技术领域。
背景技术
[0002]目前,具有复杂型面的叶片的榫头及缘板部分与叶身部分通常采用在具有A轴和B轴的五轴机床上进行铣削加工,且叶身中间部分通常采用具有较高效率的带圆角立铣刀进行铣削,而缘板和叶身上靠近缘板的部分基本都采用球头刀进行铣削加工,榫头部分则通常在缓进磨床上进行成形磨削加工。这种加工方法的加工过程需要换刀,会导致接刀处产生接刀痕迹,不利于提高叶片的工作强度,叶片的榫头部位在转移到不同机床上加工时会产生定位误差。此外,加工这些表面的机床通常需要4到5个运动轴,几乎不可能采用三轴联动机床进行加工,这限制了叶片加工成本的降低,而且叶片的几何尺寸很小,机床的结构尺寸很大,能源和厂房的耗费也非常显著。
[0003] 本专利申请提出一种带榫头叶片倒立加工的方法和装置,可在具有单主轴或多主轴的圆柱坐标三轴联动机床上实现叶片的榫头和叶身的全型面磨削或铣削加工,可大幅度降低叶片的制造成本和提高其加工效率。
发明内容
[0004] 1、发明目的:本发明的目的是提供一种利用圆柱坐标三轴联动机床实现带榫头叶片全型面磨削的方法和装置,它能实现叶片的全型面高精度、高效率、低成本加工,为叶片的批量生产提供了一条可靠的途径。
[0005] 2、技术方案:
[0006] 叶片是一种具有复杂结构的零件,其叶身和榫头都需要进行高精度加工。以前只有五轴机床才能实现叶片全型面的铣削加工。本发明提出一种只有三轴联动联动的机床进行叶片全型面加工的方法。图1是本发明提出的叶片倒装、主轴倾斜安装的圆柱坐标机床三轴联动联动磨削加工叶片全型面的原理示意图。将小直径砂轮杆和大直径的母线为圆弧的环面砂轮或环面蝶形砂轮组合而成的盘形砂轮1-2-8安装在主轴1-2-4上,带榫头的叶片倒立地安装在回转工作台组件的一个转台2-2上,并尽量使榫头下部的缘板表面(通常为平坦的锥面)基本垂直于转台的轴线;工件可在转台2-2的驱动下做间歇或连续的旋转运动,同时机床还提供主轴沿着转台轴线的垂直移动和沿着转台径向的径向移动,使砂轮能够相对于叶片做具有三个自由度的数控扫描运动。
[0007] 本发明一种利用圆柱坐标三轴机床实现带榫头叶片全型面磨削装置,它主要由三个运动坐标轴构成,即一个回转轴、两个直线运动轴,其中一个沿着所述回转轴的轴向,一个沿着所述回转轴的半径方向,三者构成圆柱坐标系,主轴的工作角度可以通过调整获得。为了提高效率,由于叶片尺寸小,转台和主轴也很小,因此可以采用多个该圆柱坐标机床构成矩阵结构,即多个旋转工作台构成矩形阵列,同样数量的主轴也构成与旋转工作台矩阵水平间距相同的矩形整列,每个主轴对应于一个旋转工作台,每个转台上安装同样的被加工叶片。
[0008] 图2是一个具有4个主轴和4个转台的2 X 2阵列三轴联动联动圆柱坐标叶片磨床的结构简图,图中,件I为容纳2X2阵列4主轴的倾斜角度可调的主轴箱组件,件2为2X2阵列4动力头回转工作台组件,件3为为Z轴滑台,件4为X轴滑台,件5为机床底座。X轴滑台4和Z轴滑台3的滑台底座分别固定在机床底座5上。
[0009] 其中,所述的主轴箱组件I如图3和图4所示。主轴箱单元I是由连接板1-1和倾斜主轴模块1-2组成,倾斜主轴模块1-2以阵列方式安装在连接板上,每个倾斜主轴模块倾斜的角度和方向一致。其中倾斜主轴模块1-2又由支撑板1-2-1、轴套1-2-4、轴套1-2-5、主轴1-2-7和盘形砂轮1-2-8组成,轴套1-2-4和轴套1_2_5通过四个内六角螺钉1_2_6将主轴1-2-7夹紧,两个支撑板1-2-1通过销钉1-2-2安装在两个轴套的侧面,通过改变支撑板1-2-1上的通孔与轴套上螺纹孔的对应关系,可以使主轴1-2-7与Z轴成一定角度α。
[0010] 所述回转工作台组件2的具体结构如图5所示,该工作台阵列由工作台2-1、回转台2-2、夹具2-3组成。工作台2-1阵列安装在回转台2-2上,回转台由同一电机同时通过齿轮传动系统进行驱动以实现同步转动,夹具2-3安装在回转台2-2上,叶片2-4以榫头朝上的方式安装在夹具2-3上。每个工作台上方的夹具中可安装一个叶片2-4,叶片上端的榫头的下表面为缘板表面,其一般为锥面的一部分,其平均法线方向应与转台的轴线方向尽量接近
[0011] 所述Z轴滑台3如图6所示,它是由滑座3-6、电机3-1、导轨3_3、丝杠3_4和滑台3-5组成。他们的位置连接关系是电机3-1通过螺钉3-2固定在滑座3-6的一端为滑台提供动力,两条导轨3-3固定在滑座3-6上,滑台3-5通过底部的轨道安装孔与导轨3-3配合,滑台3-5可以沿着导轨3-3在Z轴方向滑动,丝杠3-4与电机3-1连接同时穿过滑台3_5底部与之配对的螺母将电机3-1的驱动转化为滑台3-5的位移。
[0012] 所述X轴滑台4如图7所示,它与Z轴滑台3的结构、形状相同,只是滑台4-5在X轴方向滑动。它是由滑座4-6、电机4-1、导轨4-3、丝杠4-4和滑台4-5组成。它们的位置连接关系是电机4-1通过螺钉4-2固定在滑座4-6的一端为滑台提供动力,两条导轨4-3固定在滑座4-6上,滑台4-5通过底部的轨道安装孔与导轨4-3配合,滑台4-5可以沿着导轨4-3在X轴方向滑动,丝杠4-4与电机4-1连接同时穿过滑台4-5底部与之配对的螺母将电机4-1的驱动转化为滑台4-5的位移。
[0013] 本发明提出的图2所示的一种三轴联动圆柱坐标机床,回转工作台组件2安装在X轴滑台3上,一组4个叶片分别安装在回转工作台组件2的4个夹具上同步旋转并可沿着X轴线做直线运动,具有4个主轴的主轴箱组件I安装在Z轴滑台4上做上下直线运动,上述的两个直线运动和一个回转运动构成了圆柱坐标运动系统。事实上,这4个主轴分别相对于4个叶片的运动完全相同,即分别构成相同的圆柱坐标运动。当将这种阵列由2X2扩展成NXN矩阵时也具有相同的属性,当N = 10时可以同时对100个叶片进行加工,可以大幅度提高加工效率。
[0014] 该机床工作时,盘形砂轮随主轴倾斜于叶片安装,回转工作台带动叶片旋转并做水平直线运动,每回转一周可加工一条截形线,砂轮随着主轴做垂直方向的螺旋运动或间歇运动可以实现对叶片上不同截形的加工。叶片缘板的下表面可以认为是一个曲面,倾斜的砂轮的圆环面上总会存在合适的点与该表面上的任意点和圆角上的任意点保持接触并实现磨削加工。这样只要一次安装就可以完成叶身、根部圆角和缘板的加工。当叶片很长或刚性很差时可以采用低熔点合金在线浇铸以提高叶片的刚度。加工时先加工叶片的下面部分,然后将加工好的部分利用低熔点合金加固以便逐步继续加工叶片上面靠近榫头的部分和榫头。
[0015] 当主轴箱组件重量大时,该机床可以采用龙门布局,也可以采用回转工作台轴线,两个回转轴轴线呈水平布置的方式,这样可以克服重力的影响。
[0016] 回转工作台组件2的运动还可以和Z轴滑台4的直线运动组成螺旋运动机构,另一个直线运动可以采用主轴箱组件沿着回转工作台径向的运动,这样可以组成螺旋结构的机床,其优点是所有电机都可以安装在机床底座上,这样可以大大提高机床工作加速度。
[0017] 其中,多个该装置可以构成矩阵结构,即多个回转工作台构成矩形阵列,同样数量的主轴也构成水平间距与回转工作台中心距相同的矩形阵列,每个主轴对应于一个回转工作台以及其上面的一个被加工叶片并对其进行加工。
[0018] 综上所述,本发明是一种利用倾斜主轴的三轴联动联动磨削加工叶片全型面的方法,其方法具体步骤如下:
[0019] S1:将叶片2-4以榫头朝上的方式安装在数控机床的一个回转台2-2上,保证叶片2-4的缘板下表面平均法矢量或中部法矢量方向与回转工作台2-2的轴线方向基本一致。
[0020] S2:结合叶片2-4的结构形式,选取合适的其杆径小于砂轮直径的盘形砂轮1-2-8安装在数控机床的主轴1-2-7上,并调整机床主轴1-2-7的轴线与机床的旋转工作台2-2的轴线保持一个固定的夹角。
[0021] S3:根据机床一个旋转轴和两个直线轴联动的运动形式,配合砂轮的回转轴与机床的旋转工作台或旋转轴的轴线的夹角α,编制三轴联动联动数控加工程序,用来实现对叶片全部型面的数控加工。
[0022] S4:砂轮1-2-8在机床主轴1_2_7的驱动下高速回转,并按照机床三轴联动联动的运动轨迹运动,从而实现叶片2-4全型面的磨削加工。
[0023] 其中,步骤S1、S2、S3、S4中所述的叶片为单端带冠或榫头的叶片2_4。
[0024] 其中,盘形砂轮为一种边缘母线为圆弧或多段圆弧或圆弧与直线组合而成的砂轮,砂轮的直径大于砂轮杆的直径;
[0025] 其中,步骤S2中所述的床主轴1-2-7的轴线与机床的旋转工作台2_2或旋转轴的轴线有一个固定的夹角,其具体数值可以根据不同的叶片结构形式进行调整。
[0026] 其中,步骤S4中所述的叶片1-2-8全型面包括叶片的叶盆、叶背、叶片的进气边、排气边、榫头缘板表面、叶根过渡面,也可以加工榫头的其它表面。
[0027] 3本发明的技术优势有益效果:
[0028] I)通过倾斜主轴和利用三轴联动圆柱坐标机床可实现任意大小的小型或大型叶片的全型面加工,大大降低机床成本;2)采用倒立安装方法可以实现一次在一台机床上同时加工榫头和叶身,可以避免采用多台机床,可减少重复定位误差和提高加工精度;3)易于实现多主轴同时加工多个叶片零件,大幅度提高机床生产效率,减少工厂的厂房尺寸。本发明提供的叶片全型面磨削加工方法,可以提高单端带榫头叶片,尤其是大尺寸单端带榫头叶片全型面三轴联动联动磨削加工工艺的灵活性,拓宽三轴联动联动叶片全型面磨削工艺的应用范围,同时,充分发挥了数控机床三轴联动联动具有较高的运动精度和移动速度,尤其是旋转轴的旋转精度和加速度,提高了叶片全型面的加工效率和精度,并且降低了叶片全型面加工对机床多轴联动的要求和设备成本。
附图说明
[0029] 图1倾斜主轴圆柱坐标三轴联动联动磨削加工叶片全型面的原理示意图。
[0030] 图2倾斜主轴圆柱坐标三轴联动联动叶片全型面磨削加工机床机构简图。
[0031] 图3阵列主轴组件简图。
[0032] 图4倾斜主轴机构简图。
[0033] 图5回转工作台组件简图。
[0034] 图6 Z轴滑台机构简图。
[0035] 图7 X轴滑台机构简图。
[0036] 图8加工轨迹示意图。
[0037] 图9本发明加工流程图。
[0038] 图中符号意义如下:1主轴组件、2回转工作台组件、3Z轴滑台、4X轴滑台、5床身、1-1连接板、1-2倾斜主轴机构、1-2-1支撑板、1-2-2销钉、1_2_3内六角螺钉、1_2_4轴套、
1-2-5轴套、1-2-6内六角螺钉、1-2-7主轴、1_2_8蝶形砂轮、2_1工作台、2_2回转台、2_3夹具、2-4叶片、3-1Z轴滑台电机、3-2内六角螺钉、3-3Z轴滑台导轨、3-4Z轴滑台丝杠、3-5Z轴滑台,3-6Z轴滑台滑座、4-1Z轴滑台电机、4-2内六角螺钉、4-3Z轴滑台导轨、4-4Z轴滑台丝杠、4-5Z轴滑台、4-6Z轴滑台滑座、α主轴轴线与Z轴夹角。
具体实施方式
[0039] 见图1一图9,以下结合附图说明本发明的实施例。
[0040] 如图5所示将4个叶片2-4以榫头朝上的方式阵列安装在数控机床的4个夹具
2-3上,保证叶片2-4的叶身长度方向与回转工作台2-2或回转轴的轴线方向基本一致,特别是保证榫头缘板与水平面尽量平行。夹具2-3阵列安装在工作台2-2上,回转台由同一电机驱动,能够实现同步转动。
[0041] 如图4所示结合叶片2-4的结构形式,选取合适的其杆径小于砂轮直径的盘形砂轮1-2-8安装在数控机床的主轴1-2-7上,并调整机床主轴1-2-7的轴线与机床的旋转工作台2-2或旋转轴的轴线有一个固定的夹角α。如图2、图3所示4个倾斜主轴1_2阵列安装在连接板1-1上,与四个回转台2-2相对应
[0042] 如图7所示,根据机床一个旋转轴C和两个直线轴Z轴和X轴联动的运动形式,配合砂轮1-2-8的回转轴与机床的旋转工作台2-2轴线的夹角α,编制三轴联动联动数控加工程序,从而形成叶片磨削加工时的砂轮相对叶片的三轴联动联动运动轨迹。
[0043] 砂轮1-2-8在机床主轴1-2-7的驱动下高速回转,并按照机床三轴联动联动的运动轨迹运动,从而实现叶片2-4全型面的磨削加工。

Claims (7)

1.一种利用圆柱坐标三轴机床实现带榫头叶片全型面磨削装置,其特征在于:它由三个运动坐标轴构成,即一个驱动叶片回转的回转轴、两个直线运动轴,其中一个沿着所述回转轴的轴向,一个沿着所述回转轴的半径方向,三者构成圆柱坐标系,主轴的工作角度通过调整获得。
2.一种利用圆柱坐标三轴联动机床实现带榫头叶片全型面磨削的方法,其特征在于:该方法具体步骤如下: 步骤1:将叶片2-4以榫头朝上的方式安装在数控机床的一个回转台2-2上,保证叶片2-4的缘板下表面平均法矢量或中部法矢量方向与回转工作台2-2的轴线方向基本一致; 步骤2:结合叶片2-4的结构形式,选取合适的其杆径小于砂轮直径的盘形砂轮1-2-8安装在数控机床的主轴1-2-7上,并调整机床主轴1-2-7的轴线与机床的旋转工作台2-2的轴线保持一个固定的夹角; 步骤3:根据机床一个旋转轴和两个直线轴联动的运动形式,配合砂轮的回转轴与机床的旋转工作台或旋转轴的轴线的夹角α,编制三轴联动联动数控加工程序,用来实现对叶片全部型面的数控加工; 步骤4:砂轮1-2-8在机床主轴1-2-7的驱动下高速回转,并按照机床三轴联动联动的运动轨迹运动,从而实现叶片2-4全型面的磨削加工。
3.根据权利要求1所述的一种利用圆柱坐标三轴机床实现带榫头叶片全型面磨削装置,其特征在于:复数个回转工作台构成矩形阵列,同样数量的主轴也构成水平间距与回转工作台中心距相同的矩形阵列,每个主轴对应于一个回转工作台以及其上面的一个被加工叶片并对其进行加工。
4.根据权利要求2所述的一种利用圆柱坐标三轴联动机床实现带榫头叶片全型面磨削的方法,其特征在于:步骤1、2、3、4中所述的叶片为单端带冠或榫头的叶片2-4。
5.根据权利要求2所述的一种利用圆柱坐标三轴联动机床实现带榫头叶片全型面磨削的方法,其特征在于:盘形砂轮为一种边缘母线为圆弧或多段圆弧或圆弧与直线组合而成的砂轮,砂轮的直径大于砂轮杆的直径。
6.根据权利要求2所述的一种利用圆柱坐标三轴联动机床实现带榫头叶片全型面磨削的方法,其特征在于:步骤2中所述的床主轴1-2-7的轴线与机床的旋转工作台2-2或旋转轴的轴线有一个固定的夹角,其具体数值根据不同的叶片结构形式进行调整。
7.根据权利要求2所述的一种利用圆柱坐标三轴联动机床实现带榫头叶片全型面磨削的方法,其特征在于:步骤4中所述的叶片1-2-8全型面包括叶片的叶盆、叶背、叶片的进气边、排气边、榫头缘板表面、叶根过渡面,也能加工榫头的其它表面。
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