CN108747439A - 一种涡旋加工专用机床及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡旋加工专用机床及其加工方法，包括基座以及设置在基座上的主轴模块、工作台模块、自动换刀模块和冷却润滑系统；其加工运动机理为电主轴带动刀具高速回转通过Z轴伺服实现刀具切深进给，工作台DD马达带动工件作回转运动，其X轴伺服进给实现工件径向进给运动，两者组合实现极坐标运动插补轨迹，是涡旋螺旋线加工最理想的运动方式；工件装夹采用薄膜液(气)动夹具实现高精度装夹定位；使用本发明实现涡旋盘加工高精度、高效要求。

Description

一种涡旋加工专用机床及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种一种涡旋加工专用机床及其加工方法，特别是针对涡旋压缩机中的薄壁螺旋涡盘的加工。

背景技术

涡旋压缩机是一种容积式压缩的压缩机，压缩部件由动涡旋盘和静涡旋组成。包括使通过压缩机壳体的气体的分路流动方式以减少夹带的油的许多结构特征。

在进入壳体之后，某些气体向上流动以减少了向下朝向油的流动的气体量。为了实现这目的，压缩机的电动机可以被套筒包围，该套筒具有用于引导气流到达电动机的上和下定子端部诸匝线圈的上和下孔。在某些实施例中，相对于在定子与电动机壳体之间的两气体通道重要地对吸入进口定位。该进口的位置使一通道接纳进入气体和将该流动分为沿两相反方向即向上和向下的流动。其它的通道仅传送气体向上。此外，吸入挡板、扩散件、流线型平衡重块和/或吸入管捕油件也能有助于气油分离或使夹带的油最少；

其具备以下优点：没有往复运动机构，所以结构简单、体积小、重量轻、零件少(特别是易损件少)，可靠性高；力矩变化小，平衡性高，振动小，运转平稳，从而操作简便，易于实现自动化；在其适应的制冷量范围内具有较高的效率；噪音低；

鉴于其独特的优点，替代传统压缩机结构成为该行业的主流趋势，但其主要缺点为其运动机件表面多是呈曲面形状，这些曲面的加工及其检验均较复杂，有的还需要专用设备，因此制造成本较高等因素制约其在压缩机行业的推广应用，因此该款新型涡盘加工专用机床适应该行业的需求，达到控制加工精度、提高加工效率的目的，为涡旋压缩机推广应用打下坚实的基础。

涡盘的加工精度和行为公差要求很高，目前大多采用加工中心进行涡盘加工，其中立式加工中心是最普遍的加工方式。但这些加工方式由于机床设计的局限性，均采用了工作台X/Y轴插补方法来加工生产。由于涡盘的螺旋面形状复杂，故这种加工方式在过象限时产生的误差极易引起加工面的条状缺陷，因而需要后续配合检测和精加工来弥补加工缺陷，来满足使用要求。另外，目前多数的涡盘加工机床由于加工方法的限制，需要更多的零部件来达到螺旋轨迹加工，就使得主轴悬垂很大，受力不稳定，需要加入悬垂偏差补偿，从而降低了加工精度。涡盘由于本身螺旋面的不规则形状和底部边缘的薄壁结构，因此需要合理的工装夹具的设计来保障加工过程的稳定性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种涡旋加工专用机床及其加工方法。

本发明的涡旋加工专用机床包括基座以及设置在基座上的主轴模块、工作台模块、自动换刀模块和冷却润滑系统；

所述的主轴模块包括电主轴、铣刀、滚珠丝杆副、打刀缸、回转进水器、Z轴滑台、Z轴伺服电机和直线导轨副；所述的Z轴伺服电机安装在基座上；Z轴伺服电机通过滚珠丝杆副与Z轴滑台相连；Z轴滑台还通过若干个直线导轨副与基座相连；所述的电主轴设置在Z轴滑台上，铣刀与电主轴头部相连，电主轴配置有打刀缸和回转进水器；

所述的工作台模块位于铣刀下方，工作台模块包括直线导轨和安装在直线导轨上的X向滑台；所述的X向滑台上设置有直线电机、工作台主轴、转台轴承、DD马达、推动活塞、夹具进口、薄膜夹具和增力活塞；直线电机驱动X向滑台沿直线导轨运动；工作台主轴由转台轴承支承在X向滑台上，工作台主轴由DD马达驱动，工作台主轴内配置管路，所述管路的进口为夹具进口，管路上设置推动活塞；所述薄膜夹具设有内腔，内腔内设增力活塞；内腔与所述工作台主轴的管路连通；

所述的自动换刀模块用于实现摆臂式换刀；冷却润滑系统用于为加工过程提供冷却、润滑和切削液。

优选的，所述的Z轴滑台上设有电主轴安装孔和滚珠丝杆副安装孔；电主轴安装孔和滚珠丝杆副安装孔同轴；电主轴安装孔中心线与所有直线导轨副处于同一平面。

优选的，所述的机床还包括第一直线光栅、第二直线光栅和圆光栅；第一直线光栅用于检测Z轴滑台的位移；第二直线光栅检测X向滑台运动位移；圆光栅检测工作台主轴的角度位移。直线光栅和圆光栅均可以为光栅尺位移传感器，光栅尺是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。

优选的，所述的自动换刀模块采用24把圆盘式刀库。

优选的，所述的薄膜夹具为液动薄膜夹具或气动薄膜夹具。

优选的，所述的冷却润滑系统包括工件加工冷却系统、外循环水冷系统和润滑系统；所述的工件加工冷却系统为双冷却泵系统，一个子冷却系统用于为工件添加切削液及冲刷切屑，另一子冷却系统用于电主轴的出水冷却；外循环水冷系统对电主轴、DD马达、直线电机进行外循环冷却；润滑系统对滚珠丝杠副、直线导轨进行润滑。

优选的，所述的冷却润滑系统设有温度传感器和流量传感器用于检测冷却液温度和流量。并在润滑系统的润滑点设置断油报警。

本发明还公开了一种所述机床的涡旋加工方法，包括以下步骤：

1)薄膜夹具对工件进行装夹实现高精度定位；

2)铣刀高速旋转提供主切削力；工作台模块的回转台作圆周方向角度回转，X向滑台作径向移动；回转台与X向滑台由数控程序控制实现联动插补，生成工件加工曲线；

或者铣刀高速旋转提供主切削力；Y向做直线运动；X向做直线运动；Y向与X向由数控程序控制实现联动插补，生成工件加工曲线；

3)在加工过程中冷却系统对工件添加切削液及冲刷切屑功能，水冷系统对电主轴、DD马达、直线电机进行外循环冷却；润滑系统采用自动润滑对滚珠丝杠副、直线导轨进行润滑。

使用本发明，可以实现在刀具不换向直线进给，工作台不变向旋转的条件下对涡盘内外螺旋面一次加工完成，解决了传统加工中心加工涡盘的中心十字插补中存在的过象限误差问题，大大提高了生产精度。

零悬垂结构的设计，使加工过程无需偏差补偿，缩小了加工误差。肋板结构的设计在减轻质量的同时增大了强度，提高了滑台运动的稳定性，减轻了直线电机的负荷。

直线电机的使用使机床相对伺服电机+滚珠丝杠副的传动方式运动更为准确、快速，其加速度指标达到1.5G,插补运动实现高速、细化，从而提高了加工精度加工效率。

主轴轴心线和导轨在同一平面上、主轴轴心线与滚珠丝杠副同心的结构设计从而不会产生偏心力矩，受力更加稳定，提高了加工可靠性。

采用液(气)薄膜夹具，使得定位、夹紧更为可靠。

回转工作台、X轴、Z轴均采用全闭环控制，回转达到3角秒、直线轴达到3微米的控制精度。

直线电机、DD马达、电主轴均采用外循环水冷装置，有效降低温升，并在水冷装置出水口设水量异常、水温异常报警，有效地保护以上运动部件。

滚珠丝杆副、直线导轨配置自动润滑装置，并在润滑点设置断油报警，保护滚珠丝杆和直线轴承。

工件刀具冷却有两种冷却方式，即主轴中心出高压水与外部冷却，中间出水有效地解决了小深孔钻削加工排屑问题，防止钻头折断。

配置24把圆盘式刀库，实现自动换刀，实现除铣削涡旋曲线外实现钻孔、铣槽等一次装夹多工序的加工。

附图说明

图1为本发明的机床结构示意图；

图2为主轴模块示意图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为工作台模块结构示意图；

图5为图4的A-A剖视图；

图6为直角坐标与极坐标加工原理图；

图7为气动薄膜夹具结构图。

具体实施方式

本发明的专用机床由主轴模块1、工作台模块2、自动换刀模块3、润滑冷却系统4组成。

其中主轴模块如图2和图3所示；主轴采用电主轴5，配置回转进水器9实现中心出水功能、配置打刀缸8实现自动换刀时实现打刀与装刀功能；铣刀6安装在主轴头部，采用HSK50E刀柄结构连接；Z轴滑台10其主轴安装孔与滚珠丝杠副7安装孔同轴，丝杠传动力与主轴的受力同轴，提高滑台运动稳定性；Z轴滑台10其主轴安装孔中心线与直线导轨副13处于同一平面，颠覆力矩为零，提高Z轴滑台10的动态稳定性；Z轴滑台10的运动由伺服电机12经滚珠丝杠副7实现，并配置直线光栅11实现全闭环控制，提高其运动精度。

工作台模块如图4和5所示，X向滑台20运动由直线电机22带动，并配置直线光栅21实现全闭环控制；直线电机的冷却采用水冷控制其工作时的温升；工作台主轴14由转台轴承15将其支承在工作台本体上；其运动由DD马达17带动，并配圆光栅18检测实现全闭环控制；在工作台主轴14内配置液力推动活塞24，其推动油路由夹具进油口23经回转进油器26实现；薄膜夹具16其夹紧原理如下：薄膜夹具16其内腔预先充满液压油，当液力推动油缸24向右运动(图示)推动增力活塞25压缩腔内的液压油，形成高压；其压力值P＝(S24/S25)*P24(S24为推动活塞24的面积；S25为增力活塞25的面积；P24为推动活塞处的油压)，高压使薄膜套等压径向收缩实现夹紧、定位工件的目的

本发明的自动换刀模块采用24把圆盘式刀库，刀夹形式为HSK50E；实现摆臂式快速换刀。

本发明的冷却润滑系统包括：

1)工件加工冷却系统：配置双冷却泵系统，大流量低压系统用于工件添加切削液及冲刷切屑功能；小流量高压系统用于电主轴的中心出水冷却

2)外循环水冷系统：对电主轴、DD马达、直线电机进行外循环冷却，出口处设有供水异常报警、水温超高报警

3)润滑系统采用自动润滑对滚珠丝杠副、直线导轨进行润滑，并具备润滑点断油报警

如图6所示：极坐标加工涡旋曲线机理如下：

1)铣刀6高速旋转提供主切削力；

2)回转台28作圆周方向角度回转；

3)X向移动滑台29作径向移动；

4)回转台28与X向移动滑台29由数控程序控制实现联动插补，生成工件加工曲线27。

如图6所示：直角坐标加工机理如下：

1)铣刀6高速旋转提供主切削力；

2)Y向做直线运动；

3)X向做直线运动；

4)Y向与X向由数控程序控制实现联动插补，生成工件加工曲线；

由以上加工机理可知由于直角坐标加工产生A点Y向、B点X向过象限的问题，由于直线传动件(滚珠丝杆副)存在间隙势必造成加工缺陷；而极坐标加工方法旋转轴始终一个方向旋转，X向始终向一个方向辐射，不存在过象限加工的缺陷，从理论上分析优于直线插补的加工方式。

所述的薄膜夹具16可根据客户需求选择液动薄膜夹具或气动薄膜夹具。气动式薄膜夹具见图7：当气路从35口进气，推动活塞34下行，使得膜片33向内收缩从而达到定位夹紧工件之目的。

使用本发明，可以实现在刀具不换向直线进给，工作台不变向旋转的条件下对涡盘内外螺旋面一次加工完成，解决了传统加工中心加工涡盘的中心十字插补中存在的过象限误差问题，大大提高了生产精度。

零悬垂结构的设计，使加工过程无需偏差补偿，缩小了加工误差。肋板结构的设计在减轻质量的同时增大了强度，提高了滑台运动的稳定性，减轻了直线电机的负荷。

直线电机的使用使机床相对伺服电机+滚珠丝杠副的传动方式运动更为准确、快速，其加速度指标达到1.5G,插补运动实现高速、细化，从而提高了加工精度加工效率。

主轴轴心线和导轨在同一平面上、主轴轴心线与滚珠丝杠副同心的结构设计从而不会产生偏心力矩，受力更加稳定，提高了加工可靠性。

采用液(气)薄膜夹具，使得定位、夹紧更为可靠。

回转工作台、X轴、Z轴均采用全闭环控制，回转达到3角秒、直线轴达到3微米的控制精度。

直线电机、DD马达、电主轴均采用外循环水冷装置，有效降低温升，并在水冷装置出水口设水量异常、水温异常报警，有效地保护以上运动部件。

滚珠丝杆副、直线导轨配置自动润滑装置，并在润滑点设置断油报警，保护滚珠丝杆和直线轴承。

工件刀具冷却有两种冷却方式，即主轴中心出高压水与外部冷却，中间出水有效地解决了小深孔钻削加工排屑问题，防止钻头折断。

配置24把圆盘式刀库，实现自动换刀，实现除铣削涡旋曲线外实现钻孔、铣槽等一次装夹多工序的加工。

Claims (8)

1.一种涡旋加工专用机床，其特征在于包括基座以及设置在基座上的主轴模块、工作台模块、自动换刀模块和冷却润滑系统；

所述的主轴模块包括电主轴、铣刀、滚珠丝杆副、打刀缸、回转进水器、Z轴滑台、Z轴伺服电机和直线导轨副；

所述的Z轴伺服电机安装在基座上；Z轴伺服电机通过滚珠丝杆副与Z轴滑台相连；Z轴滑台还通过若干个直线导轨副与基座相连；所述的电主轴设置在Z轴滑台上，铣刀与电主轴头部相连，电主轴配置有打刀缸和回转进水器；

所述的工作台模块位于铣刀下方，工作台模块包括直线导轨和安装在直线导轨上的X向滑台；所述的X向滑台上设置有直线电机、工作台主轴、转台轴承、DD马达、液力推动活塞、夹具进口、薄膜夹具和增力活塞；

直线电机驱动X向滑台沿直线导轨运动；工作台主轴由转台轴承支承在X向滑台上，工作台主轴由DD马达驱动，工作台主轴内配置管路，所述管路的进口为夹具进口，管路上设置推动活塞；所述薄膜夹具设有内腔，内腔内设增力活塞；内腔与所述工作台主轴的管路连通；

所述的自动换刀模块用于实现摆臂式换刀；冷却润滑系统用于为加工过程提供冷却、润滑和切削液。

2.根据权利要求1所述的涡旋加工专用机床，其特征在于所述的Z轴滑台上设有电主轴安装孔和滚珠丝杆副安装孔；电主轴安装孔和滚珠丝杆副安装孔同轴；电主轴安装孔中心线与所有直线导轨副处于同一平面。

3.根据权利要求1所述的涡旋加工专用机床，其特征在于所述的机床还包括第一直线光栅、第二直线光栅和圆光栅；第一直线光栅用于检测Z轴滑台的位移；第二直线光栅检测X向滑台运动位移；圆光栅检测工作台主轴的角度位移。

4.根据权利要求1所述的涡旋加工专用机床，其特征在于所述的自动换刀模块采用24把圆盘式刀库。

5.根据权利要求1所述的涡旋加工专用机床，其特征在于所述的薄膜夹具为液动薄膜夹具或气动薄膜夹具。

6.根据权利要求1所述的涡旋加工专用机床，其特征在于所述的冷却润滑系统包括工件加工冷却系统、外循环水冷系统和润滑系统；所述的工件加工冷却系统为双冷却泵系统，一个子冷却系统用于为工件添加切削液及冲刷切屑，另一子冷却系统用于电主轴的出水冷却；外循环水冷系统对电主轴、DD马达、直线电机进行外循环冷却；润滑系统对滚珠丝杠副、直线导轨进行润滑。

7.根据权利要求1所述的涡旋加工专用机床，其特征在于所述的冷却润滑系统设有温度传感器和流量传感器用于检测冷却液的温度和流量。

8.一种如权利要求1所述机床的涡旋加工方法，其特征在于包括以下步骤：

1)薄膜夹具对工件进行装夹实现高精度定位；

2)铣刀高速旋转提供主切削力；工作台模块的回转台作圆周方向角度回转，X向滑台作径向移动；回转台与X向滑台由数控程序控制实现联动插补，生成工件加工曲线；

或者铣刀高速旋转提供主切削力；Y向做直线运动；X向做直线运动；Y向与X向由数控程序控制实现联动插补，生成工件加工曲线；

3)在加工过程中冷却系统对工件添加切削液及冲刷切屑功能，水冷系统对电主轴、DD马达、直线电机进行外循环冷却；润滑系统采用自动润滑对滚珠丝杠副、直线导轨进行润滑。