CN110026604A - 用于航空发动机关键零件的振动-超声拉床及其拉削方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于航空发动机关键零件的振动‑超声拉床及其拉削方法。现有用于加工航空发动机关键零件的拉床，断屑能力较差。本发明用于航空发动机关键零件的振动‑超声拉床，包括拉床本体和工作台。所述的拉床本体包括拉床驱动组件、床身、拉床导轨、拉刀夹持组件和超声拉刀。超声拉刀包括超声换能器、拉刀刀身和拉刀夹持段。工作台包括由底部台板、上部台板、两轴驱动组件、R向驱动件、振动组件、安装盘和辅助夹紧组件。振动组件包括摆动轴、振动电机、弹簧限位组件和摆动台板。弹簧限位组件包括摆动弹簧、限位柱和限位螺母。本发明通过振动与超声向复合，在拉床上实现了较强的断屑排屑能力。

Description

用于航空发动机关键零件的振动-超声拉床及其拉削方法

技术领域

本发明属于智能制造技术领域，具体涉及一种采用振动与超声复合技术，对航空发动机关键零件，特别是飞机发动机涡轮盘榫槽进行加工的拉床及其拉削方法。

背景技术

航空发动机关键零件，特别是航空发动机涡轮盘榫槽，在高温、高压、高转速的恶劣环境下工作。这类零件材料大多采用高温合金、粉末高温合金、钛合金等难加工材料制造，零件形状复杂，尺寸精度要求高，技术条件严格，对零件表面质量、表面完整性要求高，其加工质量的高低直接影响到发动机的使用寿命和安全可靠性。另一方面，由于航空发动机产品的需求大，产品开发周期缩短，对其生产效率要求越来越高。

近年来，随着航空发动机技术的不断进步和发展，这些关键零部件的加工技术有了大幅度的提升，从传统的加工工艺和手段，转向复合工艺和数控加工等自动化、集成化、精准化及高效化的方向推进和发展。对于形状复杂的航空发动机关键零件加工，例如航空发动机涡轮盘榫槽加工，目前基本上采用传统的数控铣削或拉削加工方式和装备。由于形状复杂，加工工序多，普遍存在加工效率低等主要问题。为此，本发明提出航空发动机关键零件振动与超声复合拉削方法及装置，在保证加工精度的前提下，大大提高了加工效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于航空发动机关键零件的振动-超声拉床及其拉削方法。

本发明用于航空发动机关键零件的振动-超声拉床，包括拉床本体和工作台。所述的拉床本体包括拉床驱动组件、床身、拉床导轨、拉刀夹持组件和超声拉刀。拉床导轨均固定在床身上。拉刀夹持组件包括溜板导轨、溜板、定位夹紧块、溜板V型块和夹紧驱动组件。溜板与拉床导轨构成滑动副。溜板导轨固定在溜板上。两个定位夹紧块均与溜板导轨构成滑动副。两个定位夹紧块由夹紧驱动组件驱动进行相向或相背运动。溜板V型块固定在溜板上。溜板V型块的顶部开设有V型定位槽。两个定位夹紧块均位于溜板V型块的上方。所述的拉刀夹持组件共有两个。其中一个拉刀夹持组件内的溜板由拉床驱动组件驱动。

所述的超声拉刀包括超声换能器、拉刀刀身和拉刀夹持段。拉刀刀身的一端与超声换能器通过固定。拉刀刀身、超声换能器的相背端与两个拉刀夹持段分别固定。两个拉刀夹持段分别设置在两个快速定位夹紧装置上溜板V型块的V型定位槽上。

所述的工作台包括由底部台板、上部台板、两轴驱动组件、R向驱动件、振动组件、安装盘和辅助夹紧组件。所述的上部台板通过两轴驱动组件设置在底部台板。所述的振动组件包括摆动轴、振动电机、弹簧限位组件和摆动台板。摆动轴支承在上部台板上。摆动台板的中部与摆动轴固定。摆动台板上开设有n个滑摆通槽，n≥2。

所述的弹簧限位组件包括摆动弹簧、限位柱和限位螺母。所述的摆动弹簧套置在限位柱上。限位螺母与限位柱的顶端构成螺旋副。弹簧限位组件共有n个。n个弹簧限位组件内的限位柱分别穿过摆动台板上的n个滑摆通槽，且底端均与上部台板固定。n个弹簧限位组件内的限位螺母均位于摆动台板的上方。摆动弹簧的两端分别抵住上部台板、摆动台板。振动电机固定在摆动台板。

所述的安装盘支承在摆动台板上，且通过R向驱动件驱动。所述的辅助夹紧组件设置在安装盘的装夹侧。辅助夹紧组件包括加固导轨、加固台、加固台驱动组件和压紧块。加固导轨均固定在摆动台板上。加固台与加固导轨构成滑动副，且通过加固台驱动组件驱动。加固台上设置有压紧块。

进一步地，所述的拉床驱动组件包括拉床驱动电机和拉床丝杠。拉床丝杠支承在床身上。拉床驱动电机固定在床身上，且输出轴与拉床丝杠的一端固定。由拉床驱动组件驱动的那个拉刀夹持组件内溜板底部固定有螺母。该螺母与拉床丝杠构成螺旋副。

进一步地，所述的夹紧驱动组件包括溜板丝杠和定位夹紧电机。溜板丝杠支承在溜板上。溜板丝杠采用双向丝杠。定位夹紧电机固定在定位夹紧箱体上，且输出轴与溜板丝杠的一端固定。两个定位夹紧块与溜板丝杠上的两个旋向相反的螺旋段分别构成螺旋副。

进一步地，所述的两轴驱动组件包括X向导轨、X向电机、X向丝杠、中部台板、Y向导轨、Y向电机和Y向丝杠。X向导轨固定在底部台板上。X向丝杠支承在底部台板上，且由X向电机驱动。中部台板与X向导轨构成滑动副。固定在中部台板上的螺母与X向丝杠构成螺旋副。两根Y向导轨均固定在中部台板上。上部台板与两根Y向导轨构成滑动副。Y向丝杠支承在上部台板的底部，且由Y向电机驱动。固定在中部台板上的螺母与Y向丝杠构成螺旋副。所述的R向驱动件包括R向伺服电机和涡轮减速器。R向伺服电机和涡轮减速器均固定在摆动台板上。涡轮减速器的输入口与R向伺服电机的输出轴固定。涡轮减速器的输出轴与安装盘的一端固定。

进一步地，所述的加固台驱动组件包括加固电机和加固丝杠。加固丝杠支承在加固台的底部，且通过加固电机驱动。固定在摆动台板上的螺母与加固丝杠构成螺旋副。

进一步地，两个定位夹紧块相对侧面的底部均设置有倾斜朝下的定位斜面。所述V型定位槽的两个定位基准面的对称面与两个定位夹紧块上定位斜面的对称面重合。

进一步地，所述滑摆通槽的长度方向与摆动轴的轴线垂直。

进一步地，所述的安装盘采用三爪卡盘。

进一步地，所述加固导轨的轴线平行于安装盘的中心轴线。加固台上设置有宽度调节轨道。宽度调节轨道为T型槽。宽度调节轨道的轴线垂直于加固导轨的轴线。压紧块共有两个。两个压紧块均与宽度调节轨道构成滑动副，且两个压紧块与宽度调节轨道通过固定螺栓固定。

该用于航空发动机关键零件的振动-超声拉床的拉削方法如下：

步骤一、将工件装夹在安装盘上。

步骤二、工作台上的两轴驱动组件和R向驱动件驱动工件进行X方向移动、Y方向移动和R方向分度旋转动作，完成工件上待加工部位的分度和定位。

步骤三、加固电机正转，使得压紧块压紧工件。

步骤四、振动电机启动，驱动摆动台板摆动。超声换能器启动，拉床驱动组件启动，带动使超声拉刀进行拉削。工件的摆动与超声拉刀的超声振动相复合，实现断屑和排屑。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明在超声拉刀上加装超声波换能器1-9，在拉削方向增加一个超声波，也就是拉刀刀刃沿进给移动方向将该超声波力作用在工件的拉削表面上，有利于在移动方向上进行断屑和排屑；工件夹持在安装盘2-7上，在摆动台板2-20上安装了振动电机2-5，摆动台板2-20由四个弹簧限位组件2-11支撑，并可绕支撑轴摆动，这样在振动电机的作用下，工件和摆动台板产生高频微幅摆动，有利于断屑和排屑。振动与超声的复合作用，大大提高了拉削效率，同时降低了拉削区域的温度，改善了表面质量。

2、本发明设计的工件加固装置，由加固装置导轨2-12、加固装置伺服电机2-13、加固装置丝杠螺母副2-14、加固装置台面2-15、加固螺栓2-16、压紧块2-17等组成。工件在拉削过程中，由于夹紧刚性不足，使工件的固有频率降低，往往引起工件拉削时的共振，恶化了表面质量。工件加固装置根据工件大小以及拉削工艺，通过加固电机2-13直驱的丝杠螺母副2-14，在台面2-15上的导轨2-12的导向下，调整两个压紧块2-17之间的间距以及压紧块对工件的压紧力，从而优化夹紧刚度和工件的固有频率，提高表面的加工质量。

附图说明

图1为本发明中拉床本体的整体结构示意图；

图2为图1中A-A截面的剖视图；

图3为本发明中工作台的整体结构示意图。

图4为图3中B-B截面的剖视图；

图5为图3中C-C截面的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

用于航空发动机关键零件的振动-超声拉床，包括拉床本体1、工作台2和控制器。

如图1和2所示，拉床本体1包括拉床驱动电机1-1、床身1-2、第一轴承1-3、第一轴承座1-4、拉床导轨1-5、拉床丝杠1-6、拉刀夹持组件1-7和超声拉刀。两根拉床导轨1-5均固定在床身1-2上。第一轴承座1-4固定在床身1-2的一端。拉床丝杠1-6的一端与第一轴承座1-4通过第一轴承1-3构成转动副。拉床驱动电机1-1固定在床身1-2上，且输出轴与拉床丝杠1-6的一端固定。

如图1和2所示，拉刀夹持组件1-7包括定位夹紧电机1-7-1、溜板V型块1-7-2、溜板1-7-3、定位夹紧箱体1-7-5、溜板丝杠1-7-6、溜板导轨1-7-7和定位夹紧块1-7-4。溜板1-7-3与两根拉床导轨1-5构成滑动副。定位夹紧箱体1-7-5固定在溜板1-7-3上。两根溜板导轨1-7-7均固定在定位夹紧箱体1-7-5上。溜板导轨1-7-7的轴线与拉床导轨1-5的轴线垂直。溜板丝杠1-7-6支承在定位夹紧箱体1-7-5上。溜板丝杠1-7-6采用双向丝杠。定位夹紧电机1-7-1固定在定位夹紧箱体1-7-5上，且输出轴与溜板丝杠1-7-6的一端固定。两个定位夹紧块1-7-4均与两根溜板导轨1-7-7构成滑动副。两个定位夹紧块1-7-4与溜板丝杠1-7-6上的两个旋向相反的螺旋段分别构成螺旋副。当溜板丝杠1-7-6转动时，两个定位夹紧块1-7-4相向或相背滑动。两个定位夹紧块1-7-4相对侧面的底部均设置有倾斜朝下的定位斜面。溜板V型块1-7-2固定在定位夹紧箱体1-7-5上。溜板V型块1-7-2的顶部开设有V型定位槽。两个定位夹紧块1-7-4均位于溜板V型块1-7-2的上方。V型定位槽的两个定位基准面的对称面与两个定位夹紧块1-7-4上定位斜面的对称面重合。

拉刀夹持组件1-7共有两个。其中一个拉刀夹持组件1-7内溜板1-7-3上固定有螺母。该螺母与拉床丝杠1-6构成螺旋副。

如图1所示，超声拉刀包括超声换能器1-9、拉刀刀身1-10和拉刀夹持段1-8。拉刀刀身1-10的一端与超声换能器1-9通过销钉固定。拉刀刀身1-10、超声换能器1-9的相背端与两个拉刀夹持段1-8分别固定。两个拉刀夹持段1-8分别设置在两个快速定位夹紧装置1-7上溜板V型块1-7-2的V型定位槽上，并通过定位夹紧块1-7-4夹紧。

如图3和4所示，工作台2包括由底部台板2-1、上部台板2-21、两轴驱动组件、R向驱动件、振动组件、安装盘2-7和辅助夹紧组件。两轴驱动组件包括X向导轨2-2、X向电机2-3、X向丝杠2-4、中部台板2-22、Y向导轨2-10、Y向电机2-18和Y向丝杠2-19。两根X向导轨2-2均固定在底部台板3-1上。X向丝杠2-4支承在底部台板3-1上。中部台板2-22与两根X向导轨2-2构成滑动副。固定在中部台板2-22上的螺母与X向丝杠2-4构成螺旋副。X向电机2-3固定在底部台板3-1上，且输出轴与X向丝杠2-4的一端固定。两根Y向导轨2-10均固定在中部台板2-22上。上部台板2-21与两根Y向导轨2-10构成滑动副。Y向丝杠2-19支承在上部台板2-21的底部。固定在中部台板2-22上的螺母与Y向丝杠2-19构成螺旋副。Y向电机2-18固定在上部台板2-21上，且输出轴与Y向丝杠2-19的一端固定。

振动组件包括摆动轴、第二轴承座2-8、振动电机2-5、弹簧限位组件2-11和摆动台板2-20。摆动轴通过第二轴承座2-8支承在上部台板2-21上。摆动台板2-20的中部与摆动轴固定。摆动台板2-20的四个角上均开设有滑摆通槽。滑摆通槽的长度方向与摆动轴的轴线垂直。

弹簧限位组件2-11包括摆动弹簧、限位柱和限位螺母。摆动弹簧套置在限位柱上。限位螺母与限位柱的顶端构成螺旋副。弹簧限位组件2-11共有四个。四个弹簧限位组件2-11内的限位柱分别穿过摆动台板2-20上的四个滑摆通槽，且底端均与上部台板2-21固定。四个弹簧限位组件2-11内的限位螺母均位于摆动台板2-20的上方。摆动弹簧的两端分别抵住上部台板2-21、摆动台板2-20。振动电机2-5固定在摆动台板2-20。振动电机2-5是通过在电机的输出轴上固定偏心块的方式实现振动输出。当振动电机2-5转动时，产生的激振力会驱动摆动台板2-20绕摆动轴转动。而通过旋动四个限位螺母，能够对摆动台板2-20进行限位，从而限定摆动的幅度。

安装盘2-7支承在摆动台板2-20上。安装盘2-7采用三爪卡盘。安装盘2-7用于装夹工件2-9。R向驱动件包括R向伺服电机和涡轮减速器2-6。R向伺服电机和涡轮减速器2-6均固定在摆动台板2-20上。涡轮减速器2-6的输入口与R向伺服电机的输出轴固定。涡轮减速器2-6的输出轴与安装盘2-7的一端固定。拉床本体1位于工作台2的一侧。

如图3和5所示，辅助夹紧组件位于安装盘2-7的装夹侧(即远离涡轮减速器2-6的一侧)。辅助夹紧组件包括加固导轨2-12、加固台2-15、加固台驱动组件、固定螺栓2-16和压紧块2-17。两根加固导轨2-12均固定在摆动台板2-20上。加固导轨2-12的轴线平行于安装盘2-7的中心轴线。加固台2-15的底部与两根加固导轨2-12构成滑动副。加固台驱动组件包括加固电机2-13和加固丝杠2-14。加固丝杠2-14支承在加固台2-15的底部。加固电机2-13固定在加固台2-15上，且输出轴与加固丝杠2-14的一端固定。固定在摆动台板2-20上的螺母与加固丝杠2-14构成螺旋副。加固台2-15上设置有宽度调节轨道。宽度调节轨道为T型槽。宽度调节轨道的轴线垂直于加固导轨2-12的轴线。两个压紧块2-17均与宽度调节轨道构成滑动副。且两个压紧块2-17与宽度调节轨道通过固定螺栓2-16固定。

控制器的六个控制接口与拉床驱动电机1-1、Y向电机2-18、X向电机2-3、R向伺服电机、两个定位夹紧电机1-7-1分别通过电机驱动器连接。控制器的超声驱动接口与超声换能器通过超声发生器连接。

该用于航空发动机关键零件的振动-超声拉床的拉削方法如下：

步骤一、将工件2-9(尤其是航空发动机关键零件，特别是飞机发动机涡轮盘榫槽)装夹在安装盘2-7上。

步骤二、工作台2上的两轴驱动组件和R向驱动件驱动工件2-9进行X方向移动、Y方向移动和R方向分度旋转动作，完成工件2-9上待加工部位的分度和定位。

步骤三、加固电机2-13正转，使得两块压紧块2-17压紧工件2-9。通过两块压紧块2-17对工件2-9的压紧，能够弥补安装盘的夹紧刚性不足的缺陷，降低工件的固有频率，避免在工件拉削时因共振而导致表面质量恶化。

步骤四、振动电机2-5启动，驱动摆动台板2-20产生高频微幅摆动。超声换能器启动，拉床驱动电机1-1正反往复转动，带动拉刀夹持组件1-7产生往复移动，从而使超声拉刀实现拉削的进给和回退功能。使得超声拉刀对工作台2上的工件2-9进行拉削。拉削过程中，由于工件摆动的轴线与超声拉刀进给方向垂直，故摆动不会影响拉削精度。工件的摆动与超声拉刀的超声振动相复合，达到断屑和排屑的目的，以提高拉削效率，降低拉削区域的温度，改善拉削的表面质量。

Claims (10)

1.用于航空发动机关键零件的振动-超声拉床，包括拉床本体和工作台；其特征在于：所述的拉床本体包括拉床驱动组件、床身、拉床导轨、拉刀夹持组件和超声拉刀；拉床导轨均固定在床身上；拉刀夹持组件包括溜板导轨、溜板、定位夹紧块、溜板V型块和夹紧驱动组件；溜板与拉床导轨构成滑动副；溜板导轨固定在溜板上；两个定位夹紧块均与溜板导轨构成滑动副；两个定位夹紧块由夹紧驱动组件驱动进行相向或相背运动；溜板V型块固定在溜板上；溜板V型块的顶部开设有V型定位槽；两个定位夹紧块均位于溜板V型块的上方；所述的拉刀夹持组件共有两个；其中一个拉刀夹持组件内的溜板由拉床驱动组件驱动；

所述的超声拉刀包括超声换能器、拉刀刀身和拉刀夹持段；拉刀刀身的一端与超声换能器通过固定；拉刀刀身、超声换能器的相背端与两个拉刀夹持段分别固定；两个拉刀夹持段分别设置在两个快速定位夹紧装置上溜板V型块的V型定位槽上；

所述的工作台包括由底部台板、上部台板、两轴驱动组件、R向驱动件、振动组件、安装盘和辅助夹紧组件；所述的上部台板通过两轴驱动组件设置在底部台板；所述的振动组件包括摆动轴、振动电机、弹簧限位组件和摆动台板；摆动轴支承在上部台板上；摆动台板的中部与摆动轴固定；摆动台板上开设有n个滑摆通槽，n≥2；

所述的弹簧限位组件包括摆动弹簧、限位柱和限位螺母；所述的摆动弹簧套置在限位柱上；限位螺母与限位柱的顶端构成螺旋副；弹簧限位组件共有n个；n个弹簧限位组件内的限位柱分别穿过摆动台板上的n个滑摆通槽，且底端均与上部台板固定；n个弹簧限位组件内的限位螺母均位于摆动台板的上方；摆动弹簧的两端分别抵住上部台板、摆动台板；振动电机固定在摆动台板；

所述的安装盘支承在摆动台板上，且通过R向驱动件驱动；所述的辅助夹紧组件设置在安装盘的装夹侧；辅助夹紧组件包括加固导轨、加固台、加固台驱动组件和压紧块；加固导轨均固定在摆动台板上；加固台与加固导轨构成滑动副，且通过加固台驱动组件驱动；加固台上设置有压紧块。

2.根据权利要求1所述的用于航空发动机关键零件的振动-超声拉床，其特征在于：所述的拉床驱动组件包括拉床驱动电机和拉床丝杠；拉床丝杠支承在床身上；拉床驱动电机固定在床身上，且输出轴与拉床丝杠的一端固定；由拉床驱动组件驱动的那个拉刀夹持组件内溜板底部固定有螺母；该螺母与拉床丝杠构成螺旋副。

3.根据权利要求1所述的用于航空发动机关键零件的振动-超声拉床，其特征在于：所述的夹紧驱动组件包括溜板丝杠和定位夹紧电机；溜板丝杠支承在溜板上；溜板丝杠采用双向丝杠；定位夹紧电机固定在定位夹紧箱体上，且输出轴与溜板丝杠的一端固定；两个定位夹紧块与溜板丝杠上的两个旋向相反的螺旋段分别构成螺旋副。

4.根据权利要求1所述的用于航空发动机关键零件的振动-超声拉床，其特征在于：所述的两轴驱动组件包括X向导轨、X向电机、X向丝杠、中部台板、Y向导轨、Y向电机和Y向丝杠；X向导轨固定在底部台板上；X向丝杠支承在底部台板上，且由X向电机驱动；中部台板与X向导轨构成滑动副；固定在中部台板上的螺母与X向丝杠构成螺旋副；两根Y向导轨均固定在中部台板上；上部台板与两根Y向导轨构成滑动副；Y向丝杠支承在上部台板的底部，且由Y向电机驱动；固定在中部台板上的螺母与Y向丝杠构成螺旋副；所述的R向驱动件包括R向伺服电机和涡轮减速器；R向伺服电机和涡轮减速器均固定在摆动台板上；涡轮减速器的输入口与R向伺服电机的输出轴固定；涡轮减速器的输出轴与安装盘的一端固定。

5.根据权利要求1所述的用于航空发动机关键零件的振动-超声拉床，其特征在于：所述的加固台驱动组件包括加固电机和加固丝杠；加固丝杠支承在加固台的底部，且通过加固电机驱动；固定在摆动台板上的螺母与加固丝杠构成螺旋副。

6.根据权利要求1所述的用于航空发动机关键零件的振动-超声拉床，其特征在于：两个定位夹紧块相对侧面的底部均设置有倾斜朝下的定位斜面；所述V型定位槽的两个定位基准面的对称面与两个定位夹紧块上定位斜面的对称面重合。

7.根据权利要求1所述的用于航空发动机关键零件的振动-超声拉床，其特征在于：所述滑摆通槽的长度方向与摆动轴的轴线垂直。

8.根据权利要求1所述的用于航空发动机关键零件的振动-超声拉床，其特征在于：所述的安装盘采用三爪卡盘。

9.根据权利要求1所述的用于航空发动机关键零件的振动-超声拉床，其特征在于：所述加固导轨的轴线平行于安装盘的中心轴线；加固台上设置有宽度调节轨道；宽度调节轨道为T型槽；宽度调节轨道的轴线垂直于加固导轨的轴线；压紧块共有两个；两个压紧块均与宽度调节轨道构成滑动副，且两个压紧块与宽度调节轨道通过固定螺栓固定。

10.如权利要求1所述的用于航空发动机关键零件的振动-超声拉床的，其特征在于：

步骤一、将工件装夹在安装盘上；

步骤二、工作台上的两轴驱动组件和R向驱动件驱动工件进行X方向移动、Y方向移动和R方向分度旋转动作，完成工件上待加工部位的分度和定位；

步骤三、加固电机正转，使得压紧块压紧工件；

步骤四、振动电机启动，驱动摆动台板摆动；超声换能器启动，拉床驱动组件启动，带动使超声拉刀进行拉削；工件的摆动与超声拉刀的超声振动相复合，实现断屑和排屑。