CN105269321B - 叶片数控铣磨抛复合加工机床及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片数控铣磨抛复合加工机床及其方法，主要解决叶片多部位结构的加工过程目前只能在单一机床上单工序加工及由多工序装夹带来的加工精度不稳定和低效率问题。本机床包括立柱、床身、工作台及六个直线轴和四个回转轴组件，在双T形床身上安装有X向工作台和Y1、Y2运动的两个立柱，工作台上安装有能实现360°A向回转的转台，在铣磨立柱滑板上安装有力矩电机驱动铣磨头架的B1向摆动，在砂带磨立柱的滑板上安装有力矩电机驱动砂带磨头架B2向摆动，砂带磨头架上端设置有C轴齿轮机构，在C轴顶端安装有法向N轴电机。本发明结构设计合理巧妙，集成铣、磨、抛、测量功能为一体，具有极大的实用价值和推广价值。

Description

叶片数控铣磨抛复合加工机床及其方法

技术领域

本发明属于机械制造领域，涉及的是一种叶片类复杂曲面零件的制造，具体的说，是涉及叶片数控铣磨抛复合加工机床。

背景技术

叶片是汽轮机、航空发动机等的关键核心零件，其精度和表面质量在很大程度上决定了主机的工作效能和可靠性。叶片通常由难加工材料制成，叶片型面为空间自由曲面，形状复杂，叶身根部圆角由多个变直径的圆弧组成，叶片进出气边截面轮廓为圆弧或椭圆型且厚度较小可达0.1～0.2mm，有的叶身中部还带有阻尼台或加强筋。国内外目前加工叶片主要采用以下设备和方法：

1)普通叶片采用三轴联动数控铣床进行叶片单面加工再翻面装夹后继续进行加工去除材料的粗加工，最后通过手工砂轮机或者砂带机打磨叶片型面；

2)普通叶片采用四轴联动数控铣床螺旋线连续回转方式加工叶片型面，最后通过手工砂轮机或者砂带机修磨叶片型面；

3)带扭曲和阻尼台的复杂叶片采用五轴联动数控铣床进行叶片型面、叶身根部圆角及阻尼台的粗加工，最后通过手工砂轮机、砂带机或者六轴联动数控砂带磨床磨抛叶片型面；

上述单独采用叶片数控铣削及数控砂带磨抛加工工艺结合手工打磨的方法的主要是问题是：

1.叶片的数控铣削和数控磨抛两道工序在两类机床上分别单独实施，叶片二次装夹不可避免会产生装夹误差问题，影响高精度叶片制造；

2.砂带磨抛加工过程中的砂带宽度效应自身局限导致无法磨抛叶片的阻尼台和叶根圆角等死角部位，只能单独采用手工进行叶片的这些局部位置的砂轮打磨去除刀痕；

3.手工打磨叶片阻尼台和叶身根部圆角对工人技术要求较高、其打磨劳动负荷大，作业环境恶劣，叶片生产效率很难再提高，加工质量更难以保证；

4.难加工材料构成的薄壁叶片在铣削和砂带磨削过程不可避免产生的加工应力，这些应力将在加工过程中逐渐释放并导致叶片轮廓产生复杂变形，需要最终的精密修磨加工预以纠正，现有多轴联动砂带磨床由于其特殊结构无法在磨头部件上安装在机测量装置，只能采用机外测量后再数控编程进行砂带修磨加工，导致辅助时间过长，极大影响了高质量叶片的制造效率；

5.单独采用叶片数控铣床、数控砂带磨床及手工砂轮机等至少需要三类设备才能实现完整叶片型面加工的现状，不仅增加了叶片工厂的设备采购成本、加大了维修管理难度和车间拥挤程度，还制约了目前叶片工厂的精益生产技术水平发展。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，设计一种可实现叶片叶身及其各局部加工区域全覆盖的铣磨抛复合加工机床装备。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：

叶片数控铣磨抛复合加工机床及其方法，包括安装在双T形床身上用于实现X向直线运动的工作台，安装在X向直线工作台上的由伺服电机驱动实现360°A向数控转台及顶尖，安装在双T形床身上用于实现Y1向直线运动的铣磨立柱，安装在Y1向铣磨立柱机构上用于实现Z1向直线运动的第一滑台机构，在第一滑台机构上设置有B1向力矩电机安装座中的力矩电机驱动铣磨头架实现B1向的摆动，安装在摆动工作台上的铣磨头架通过法兰盘与摆动工作台相连接，头架上安装有高速主轴，铣刀或指状砂轮等加工工具或者接触式坐标测头可安装在高速主轴上用于实现与叶片的铣削、砂轮磨削和叶片型面轮廓测量，安装在双T形床身上用于实现Y2向直线运动的砂带磨立柱，安装在Y2向砂带磨立柱上用于实现Z2向直线运动的第二滑台机构，在第二滑台机构上设置有B2向力矩电机安装座中的B2向力矩电机驱动砂带磨头架实现B2向的摆动，安装在力矩电机上的砂带磨头架设置有C向回转轴，在C向回转轴上安装有N向伺服电机，在C向回转轴上连接有砂带磨削支撑板，通过交流电机驱动砂带高速运动实现与叶片的磨削和抛光加工。

进一步的，安装在双T形床身上的X向线性导轨之间的支撑座之间设置有X向滚珠丝杆，X向滚珠丝杆通过联轴器与X向伺服电机相连接，双T形床身纵向设置有Y1向和Y2向线性导轨，Y1及Y2向滚珠丝杆分别安装在各自独立的线性导轨之间的支撑座上并通过联轴器与Y1及Y2向轴伺服电机相连接。

所述X向直线工作台包括工作台、设置于双T形床身和工作台之间的线性导轨滑块、安装在X向滚珠丝杆上的螺母座与工作台相连，X向伺服电机驱动滚珠丝杆旋转并带动螺母座和工作台在导轨支撑作用下实现X方向的直线运动。

所述铣磨立柱机构包括铣磨立柱、设置于后床身与铣磨立柱之间的线性导轨滑块、安装在Y1向滚珠丝杆上的螺母座在铣磨立柱底端并与之相连，Y1向伺服电机驱动滚珠丝杆旋转并带动螺母座和铣磨立柱在导轨支撑作用下实现Y1方向的直线运动。

所述第一滑台包括设置于立柱前面Z1向线性导轨及其与滑台之间的滑块、安装在Z1向线性导轨之间的滚珠丝杆及其与之相连接的Z1伺服电机，Z1伺服电机驱动滚珠丝杆旋转并带动滑台在导轨支撑作用下实现Z1垂直方向的直线运动。

所述B1向摆动旋转工作台机构包括力矩电机安装座、设置于安装座的内装式力矩电机，通过与力矩电机转子相连接的法兰盘连接铣磨头架。

所述铣磨头架一端与法兰盘用螺栓连接，高速主轴设置于头架顶部，高速主轴驱动铣刀或者指状砂轮进行切磨削加工。

所述砂带磨立柱机构包括砂带磨立柱、设置于后床身与砂带磨立柱之间的线性导轨滑块、安装在Y2向滚珠丝杆上的螺母座在砂带磨立柱底端并与之相连，Y2向伺服电机驱动滚珠丝杆旋转并带动螺母座和砂带磨立柱在导轨支撑作用下实现Y2方向的直线运动。

所述第二滑台包括设置于砂带磨立柱前面Z2向线性导轨及第二滑台之间的滑块、安装在Z2向线性导轨之间的滚珠丝杆及其与之相连接的Z2伺服电机，Z2伺服电机驱动滚珠丝杆旋转并驱动滑台在导轨支撑作用下实现Z2垂直方向的直线运动。

所述B2向摆动旋转工作台机构包括力矩电机安装座、设置于安装座的内装式力矩电机，通过与力矩电机转子相连接的法兰盘连接砂带磨头架。

所述砂带磨头架一端与法兰盘用螺栓连接，顶部上安装有通过C轴伺服电机驱动齿轮与扇形齿盘啮合从而带动C轴回转轴运动，在C轴回转轴顶端上安装有N轴伺服电机，C轴回转轴上通过连接板与砂带磨削支撑板固结，设置在电机安装板上的交流电机驱动砂带高速运动实现与叶片的磨削和抛光加工。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明对各类叶片毛坯工件数控铣削和数控磨抛两道工序合并在同一机床上连贯性实施，避免了叶片二次装夹引起装夹误差技术问题，大大提高了叶片批量化制造精度的稳定性；

(2)本发明采用在铣削主轴的刀柄加装指状砂轮后对叶片的阻尼台和叶根圆角等特殊局部位置的砂轮打磨，克服了砂带无法磨抛叶片阻尼台和叶根圆角的技术缺陷，解决了叶片阻尼台和叶身根部圆角的自动化磨抛加工技术问题，提高了叶片制造效率；

(3)本发明采用在铣削主轴上安装接触式坐标测量头实现对叶片加工过程轮廓变形在机测量，通过与理想轮廓对比，生成修磨程序对叶片超差部位实现最终的修磨加工，克服了采用传统三坐标测量进行测量后编程再安装叶片进行砂带修磨加工，极大缩短了辅助时间并提高叶片的制造效率；

(4)本发明采用在一台设备上集成了叶片数控铣床、数控砂带磨床及手工砂轮机、三坐标测量机等四类设备才能实现完整叶片加工与测量的功能，极大地节约了叶片工厂的设备采购成本和人工，方便了数控车间集成制造的智能化管控，提升了叶片工厂的精益生产技术水平发展。

附图说明

图1为本发明的五轴联动铣削方法的X向、Y1向、B1向设计布置原理示意图。

图2为本发明的五轴联动铣削方法的Z1向、A向设计布置原理示意图。

图3为本发明的七轴联动砂带磨抛方法的X向、Y2向、B2向和N向设计布置原理示意图。

图4为本发明的七轴联动砂带磨抛方法的Z2向、A向、C向设计布置原理示意图。

图5为本发明的五轴联动指状砂轮磨削方法的X向、Y1向、B1向设计布置原理示意图。

图6为本发明的五轴联动指状砂轮磨削方法的Z1向、A向设计布置原理示意图。

图7为本发明的采用接触式坐标测头实施叶片型面轮廓在机测量方法的X向、Y1向、B1向设计布置原理示意图。

图8为本发明的采用接触式坐标测头进行叶片型面轮廓在机测量方法的Z1向、A向设计布置原理示意图。

图9为本发明的主视图。

图10为本发明的侧视图。

图11为本发明的D-D向剖视图。

图12为本发明的立柱的俯视图。

图13为本发明的双T形床身的俯视图。

图14为本发明的加工方法实现的流程图。

其中，附图标记所对应的名称：1-叶片工件，2-夹具，3-顶尖，4-铣刀，5-砂带，6-接触轮，7-叶片阻尼台，8-接触式坐标测头，9-指状砂轮，10-双T形床身，11-X向导轨滑块，12-工作台，13-A向数控转台，14-第一滑台，15-Z1向滚珠丝杆，16-Z1向联轴器，17-Z1向伺服电机，18-B向力矩电机，19-顶尖支撑架，20-气缸，21-Z2向滚珠丝杆，22-涨紧轮连接板，23-电机安装板，24-砂带磨头支撑板，25-第二滑台，26-B2向力矩电机，27-Z2向滚珠丝杆，28-Z2向丝杆座，29-Z1向导轨滑块，30-Z1向丝杆螺母，31-Z1向丝杆座，32-机床垫铁，33-Y1向伺服电机，34-铣磨立柱，35-Z1向导轨，36-B向力矩电机座，37-B1法兰盘，38-铣磨头架，39-高速主轴，40-Y2向伺服电机，41-砂带磨立柱，42-Z2向导轨滑块，43-B2向力矩电机座，44-B2法兰盘，45-C向伺服电机，46-齿轮，47-扇形齿盘，48-砂带磨主轴电机，49-驱动轮，50-涨紧轮，51-N向伺服电机，52-C向回转轴，53-砂带，54-砂带磨头架，55-连接板，56-丝杆支撑座，57-X向伺服电机，58-X向联轴器，59-X向滚珠丝杠，60-X向丝杆螺母，61-X向导轨，62-Y1向导轨，63-Y1向联轴器，64-Y1向滚珠丝杠，65-Y1向丝杠螺母，66-Y2向联轴器，67-Y2向导轨，68-Y2向滚珠丝杠，69-Y2向丝杠螺母，70-Y1向丝杠座，71-Y2向丝杠座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，本实施例提供了一种可完整地对各类叶片型面加工的数控铣削、磨削、抛光的复合加工方法及在机测量方法的设计原理示意，利用该原理设计的机床可对叶片型面各待加工区域的全覆盖加工和实现叶片轮廓在机测量。

如图9、图10、图11所示，为本发明叶片数控铣磨抛复合加工机床的一个优选实例的主视、侧视及剖视图。其主要包括在双T形床身10横向设置有直线运动的工作台12，在工作台12上安装有能实现360°回转的卧式布置的数控转台13，通过在转台13上设置的夹具2将叶片工件1进行装夹，并依靠在工作台12上布置的顶尖进行支撑，在双T形床身10纵向分别安装有铣磨立柱34和砂带磨削立柱41，在铣磨立柱34顶端设置有Z1向伺服电机17，通过Z1向滚珠丝杠15驱动第一滑台14上下运动，第一滑台14上安装有B向力矩电机座36，铣削头架38通过法兰盘37与B1力矩电机18连接，实现铣削头架38的B向摆动，铣削头架38上面设置高速主轴39驱动铣刀4或者指状砂轮8旋转进行加工切磨削，砂带磨立柱41顶端设置有Z2向伺服电机21，通过Z2向滚珠丝杠27驱动第二滑台42上下运动，第一滑台42上安装有B2向力矩电机座43，砂带磨头架54通过法兰盘44与B2力矩电机26连接，实现砂带磨头架54的B2向摆动，砂带磨头架54通过连接板55与砂带磨头支撑板24固结，连接板55与回转轴52连接，C向伺服电机45通过驱动齿轮46啮合扇形齿盘47带动回转轴52实现砂带53的C向旋转，回转轴52顶端安装的N向伺服电机驱动砂带磨头支撑板24沿N向进行运动，在砂带磨头支撑板24顶端设置有电机安装板23，设置的砂带磨主轴电机48通过驱动轮49带动砂带53高速运动，并在接触轮6与叶片工件1接触处实现磨抛加工。

如图12所示，铣磨立柱34垂直方向的导轨35上布置有导轨滑块29，用于支撑第一滑台14的移动，第一滑台14通过Z1向丝杆螺母30与滚珠丝杆15连接，铣磨立柱34顶部设置有Z1向伺服电机，通过联轴器16驱动滚珠丝杆15旋转，带动丝杆螺母30和第一滑台14实现Z1向直线运动。

如图13所示，双T形床身10上设置有X向导轨61、Y1向导轨62和Y2向导轨66，X向伺服电机57通过联轴器58驱动X向滚珠丝杠59旋转带动丝杆螺母60运动，实现工作台12的X向运动，Y1向伺服电机33通过联轴器63驱动Y1向滚珠丝杠64旋转带动丝杆螺母65运动，实现铣磨立柱34的Y1向运动，Y2向伺服电机40通过联轴器66驱动Y2向滚珠丝杠68旋转带动丝杆螺母69运动，实现砂带磨立柱41的Y2向运动，

如图14所示，上述叶片数控铣磨抛复合加工机床实施叶片型面全覆盖加工的工艺流程实现方法，包括以下步骤：

(1)数控复合加工机床启动，对刀并设定机床工作状态下的各工作参数；

(2)通过将叶片工件毛坯夹持在回转工作台夹具上，并采用顶尖进行支撑，完成工件装夹；

(3)在铣磨主轴上更换铣刀及选择数控系统里面的铣削程序并完成叶片铣加工工序；

(4)在铣磨主轴上更换接触式坐标测头并启动测量循环程序进行叶片铣削轮廓进行在机测量，数控系统将轮廓参数的测量值与设定值进行对比，以对加工精度进行异常判断，若检测结果为否，则对局部超差位置进行修正铣削，若检测结果为是，则执行下一步；

(5)在砂带磨主轴上更换粗细砂带及选择数控系统里面的砂带磨抛程序并完成叶片磨抛加工工序；

(6)在铣磨主轴上更换指状砂轮及选择数控系统里面的砂轮磨削程序并完成叶片阻尼台和叶身跟部圆角的磨削工序；

(7)在铣磨主轴上更换接触式坐标测头并启动测量循环程序进行叶片精加工轮廓进行在机测量，数控系统将轮廓参数的测量值与设定值进行对比，以对加工精度进行异常判断，若检测结果为否，则对局部超差位置进行修正磨抛，若检测结果为是，则执行下一步；

(8)完成对加工合格的叶片从转台夹具上卸下及包装等后续辅助处理。

按照上述实施例，便可较佳地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.叶片数控铣磨抛复合加工机床，其特征在于，包括安装在双T形床身(10)上用于实现X向直线运动的工作台(12 )，在X向直线工作台(12 )上设置有A向数控转台(13)及顶尖(3)，安装在双T形床身(10)上用于实现Y1向直线运动的铣磨立柱(34)，安装在Y1向铣磨立柱(34)上用于实现Z1向直线运动的第一滑台机构，在第一滑台机构上设置有B1向力矩电机(18)，铣磨头架(38)通过法兰盘(37)与B1向摆动力矩电机(18)的转子相连接，铣磨头架(38)上安装有高速主轴(39)，铣刀(4)或指状砂轮(9)加工工具或者接触式坐标测头(8)可安装在高速主轴(39)上用于实现与叶片(1)的铣削、砂轮磨削和叶片型面轮廓测量，安装在双T形床身(10)上用于实现Y2向直线运动的砂带磨立柱机构，安装在砂带磨立柱(41)上用于实现Z2向直线运动的第二滑台机构，在第二滑台机构上设置有B2向力矩电机(26)，驱动安装在B2向力矩电机(26)上的砂带磨头架(54)实现B2向摆动，砂带磨头架(54)上安装有C向回转轴(52)，在C向回转轴(52)上安装有N向伺服电机(51)，在C向回转轴(52)上连接有砂带磨削支撑板(24)，砂带磨削支撑板上设置有砂带磨主轴电机(48)和砂带(53)。

2.根据权利要求1所述的叶片数控铣磨抛复合加工机床，其特征在于，安装在所述双T形床身(10)上的X向线性导轨之间的丝杆支撑座(56)之间设置有X向滚珠丝杆(59)，X向滚珠丝杆(59)通过联轴器(58)与X向伺服电机(57)相连接，双T形床身(10)纵向设置有Y1向线性导轨(62)和Y2向线性导轨(67)，Y1滚珠丝杆(64)及Y2向滚珠丝杆(68)分别安装在各自独立的线性导轨之间的Y1丝杆支撑座(70)及Y2向丝杆支撑座(71)上，并通过联轴器与Y1伺服电机(33)及Y2向伺服电机(40)相连接。

3.根据权利要求2所述的叶片数控铣磨抛复合加工机床，其特征在于，安装在所述双T形床身(10)上的X向直线工作台机构包括工作台(12)、设置于双T形床身(10)和工作台(12)之间的线性导轨滑块(11)、安装在X向滚珠丝杆上的螺母座(60)与工作台(12)相连，X向伺服电机(57)驱动滚珠丝杆(59)旋转并带动螺母座(60)和工作台(12)在导轨(61)支撑作用下实现X方向的直线运动。

4.根据权利要求3所述的叶片数控铣磨抛复合加工机床，其特征在于，安装在所述双T形床身(10)上的铣磨立柱机构包括铣磨立柱(34)、安装在Y1向滚珠丝杆(64)上的螺母座(65)与铣磨立柱(34)底端并相连，Y1向伺服电机(33)驱动滚珠丝杆(64)旋转并带动螺母座(65)和铣磨立柱在导轨(62)支撑作用下实现Y1方向的直线运动。

5.根据权利要求4所述的叶片数控铣磨抛复合加工机床，其特征在于，设置在所述铣磨立柱(34)上的第一滑台机构包括第一滑台(14)、设置于立柱前面Z1向线性导轨(35)及其与滑台之间的滑块(29)、安装在Z1向线性导轨(35)之间的滚珠丝杆(15)及其与之相连接的Z1伺服电机(17)，Z1伺服电机(17)驱动滚珠丝杆(15)旋转并带动滑台在Z1向线性导轨(35)支撑作用下实现Z1垂直方向的直线运动。

6.根据权利要求5所述的叶片数控铣磨抛复合加工机床，其特征在于，安装在所述第一滑台(14)上的B1向摆动工作台机构包括B1向力矩电机安装座(36)、设置于安装座的内装式力矩电机(18)，通过与力矩电机转子相连接的法兰盘(37)连接铣磨头架(38)。

7.根据权利要求6所述的叶片数控铣磨抛复合加工机床，其特征在于，所述铣磨头架(38)与法兰盘(37)相连接，高速主轴(39)设置于铣磨头架(38)顶部，高速主轴(39)可以通过驱动铣刀(4)或者指状砂轮(9)旋转进行加工。

8.根据权利要求3所述的叶片数控铣磨抛复合加工机床，其特征在于，安装在所述双T形床身(10)上的砂带磨立柱机构包括砂带磨立柱(41)、设置于双T形床身(10)与砂带磨立柱(41)之间的线性导轨(67)、安装在Y2向滚珠丝杆(68)上的螺母座(69)与砂带磨立柱(41)底端相连，通过Y2向伺服电机(40)驱动滚珠丝杆(68)旋转并带动螺母座(69)和砂带磨立柱(41)在导轨(67)支撑作用下实现Y2方向的直线运动。

9.根据权利要求8所述的叶片数控铣磨抛复合加工机床，其特征在于，安装在所述砂带磨立柱(41)上的第二滑台机构包括第二滑台(25)、设置于砂带磨立柱(41)前面Z2向线性导轨(42)、安装在Z2向线性导轨之间的滚珠丝杆(27)及其与之相连接的Z2伺服电机(21)，通过Z2向伺服电机(21)驱动滚珠丝杆(27)旋转并驱动第二滑台(25)实现Z2垂直方向的直线运动。

10.根据权利要求9所述的叶片数控铣磨抛复合加工机床，其特征在于，安装在所述第二滑台(25)上的B2向摆动工作台机构包括B2向力矩电机安装座(43)、设置于安装座的内装式B2力矩电机(26)，通过与B2向力矩电机(26)转子相连接的法兰盘(44)连接砂带磨头架(54)。

11.根据权利要求10所述的叶片数控铣磨抛复合加工机床，其特征在于，所述砂带磨头架(54)与法兰盘(44)相连接，在砂带磨头架(54)顶部上安装有通过C轴伺服电机(45)驱动齿轮(46)与扇形齿盘(47)啮合从而带动C向回转轴(52)旋转，在C向回转轴(52)顶端上安装有N轴伺服电机(51)，C向回转轴(52)上通过连接板(55)与砂带磨削支撑板(24)固结，设置在电机安装板(23)上的砂带磨主轴电机(48)驱动砂带(53)高速运动并与叶片表面接触实现磨削和抛光加工。