CN111037314B - 一种大叶片铣削抛光机床 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大叶片铣削抛光机床及铣削抛光方法，涉及大型叶片铣削、抛光数控加工领域；所述床身的顶端设置有X轴滑轨和第一移动滑台；所述第二移动滑台通过第一移动滑台可移动安装在X轴滑轨上；所述摆头包括摆头主体、主轴和刀具，所述主轴安装在摆头主体内部，所述刀具安装在摆头的端部，所述主轴一端与摆头驱动装置连接，所述主轴另一端与刀具连接，所述摆头可移动安装在第二移动滑台；所述床身的一侧安装有第三移动滑台，所述Z轴工作台可升降安装在第三移动滑台，大叶片放置在Z轴工作台。

Description

一种大叶片铣削抛光机床

技术领域

本发明属于大型叶片铣削、抛光数控加工领域，具体涉及一种大叶片铣削抛光机床。

背景技术

航空发动机大型风扇叶片是发动机中推动飞机前进的重要零件，这种叶片通常需要采用千万元级别的五轴联动叶片加工中心进行铣削加工，其加工时间长达数十天，单个叶片的价值高达10万元以上。但是这种叶片厚度薄、刚性差，铣削加工过程极易发生颤振和变形，叶片加工完成并从机床上拆下后，极易因为叶片内部残余应力的释放而发生严重的变形，导致叶片加工超差。

该问题是目前影响航空发动机大型叶片和叶盘生产加工的重大技术难题。该问题也存在于汽轮机叶片的加工中，以至于不得不采用反向扭转的方法消除叶片的变形。但是这种反向扭转方法会因为产生新的残余应力而导致叶片在应用过程不断变形，对于发动机工作性能的稳定及其不利。从以上分析可以看出，大叶片的制造难度相当大，叶片最终成形一直是航空发动机制造中的瓶颈技术。

目前，国内外研究者主要通过叶片的装夹方式、加工工艺及加工参数优化、变形预测与误差补偿、电解加工、使用高精设备等方式对航空发动机叶片的变形控制方法展开了探索和研究。控制叶片因受到切削力作用而产生的变形，最简单且直接的方法就是对叶片进行过定位装夹或辅助支撑，间接提高叶片的刚性，从而达到减小叶片受力变形的目的。

目前叶片实际生产加工中，绝大多数都采用这种方法来控制叶片的受力变形。北京航空航天大学的陈婵娟深入分析了叶片在悬臂装夹与双端装夹状态下的变形及其分布规律，并进行了试验验证。Wang.Y等提出一种涡轮叶片叶身装夹定位误差和加工误差的测量、计算方法，为叶片的夹具优化设计提供了依据。在叶片的实际加工中，国内的航空发动机叶片的主要生产单位黎明航空发动机有限公司和南方航空工业有限公司等均采用了双端装夹的方式来保证叶片的加工精度。但是，这种通过优化夹具结构及辅助支撑的方法使叶片不可避免的引入了过定位装夹变形，无论是叶尖处顶尖或辅助基准凸台支撑，还是叶身型面的辅助支撑等，都要求装置有很高的精度及其稳定性。同时，叶片的残余应力变形不能通过过定位装夹和支撑进行控制，此方法适用于残余应力变形较小的叶片加工。

通过工艺手段使刚性增强也是控制叶片加工变形的有效手段之一。西北工业大学的单晨伟等提出一种叶片型面的非均匀余量刚度补偿方法，对截面线方向采用正弦函数变化法分别进行非均匀余量刚度补偿设计，并且基于叶片原始截面线，构造出精加工时的工艺模型，从而在精加工总体余量不变的情况下，增强了叶片的加工刚度，一定程度上减少了弯曲和扭转变形。西北工业大学张定华和姚倡锋等将叶盆、叶背型面划分为若干个对称的区域，利用分区域对称刀具轨迹进行叶片加工的方法来控制变形。

叶片综合误差补偿是目前应用较为广泛的叶片加工变形控制方式，其主要思路是利用理论分析及有限元模拟仿真、变形测量等手段得到叶片在稳定的加工工艺下的变形规律及分布情况，然后通过适当修改叶片的三维模型或刀具加工轨迹来实现误差补偿。

全型面精密电解加工从加工机理出发，能够在加工过程中彻底避免叶片型面受到力的作用，彻底摒除了叶片弱刚性对其加工精度的影响；同时，加工表面不产生残余应力和加工硬化，也避免了叶片因加工表面残余应力而形成的无规律变形。因此，国内外对于叶片全型面的电解加工进行了许多研究。叶身全方位电解加工技术于20世纪80年代成功的运用于美国GE和英国Rolls-Royce公司镍基涡轮叶片和钛合金压气机叶片的加工领域。德国MTU公司也采用拷贝式电解加工工艺进行叶轮型面的整体加工。英国的Amchem公司已经生产出阴极斜向进给、轴向供液的叶片电解加工专用机床。

随着我国航空工业的深入发展，叶片型面越来越复杂，出现了宽弦叶片、空心叶片等新型结构。针对大型叶片的残余应力变形问题，我们已经针对性的提出了了一种反向分段加工方法，并申请了专利(CN201510282078.1)。但是在进行叶片反向分段加工的过程中，依然身感现有的通用五轴加工机床在大叶片反向分段加工过程中的局限性，现有的加工机床难以与工艺实现真正的统一，从而实现大型风扇叶片的高效、高精度加工。因此，急需一种大叶片加工专用机床以及对应后置程序，实现大叶片的反向分段加工。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明基于反向分段加工技术提供一种大叶片铣削抛光机床，以解决上述技术问题。

第一方面，本发明提供一种大叶片铣削抛光机床，包括床身、X轴滑轨、第一移动滑台、第二移动滑台、摆头、Z轴滑轨、第三移动滑台和Z轴工作台；所述床身的顶端设置有X轴滑轨和第一移动滑台；所述第二移动滑台通过第一移动滑台可移动安装在X轴滑轨上；所述摆头可移动安装在第二移动滑台，所述摆头包括摆头主体、主轴和刀具，所述主轴安装在摆头主体内部，所述刀具安装在摆头的端部，所述主轴一端与摆头驱动装置连接，所述主轴另一端与刀具连接；所述床身的一侧设置有Z轴滑轨，第三移动滑台安装在Z轴滑轨上，所述Z轴工作台可升降安装在第三移动滑台，大叶片放置在Z轴工作台。

进一步的，为了方便调节第二移动滑台，包括Y轴底座，所述第二移动滑台安装在Y轴底座上，所述第二移动滑台通过Y轴底座可移动安装在第一移动滑台上。

进一步的，为了方便安装摆头，并使摆头可移动安装在第二移动滑台上，所述第二移动滑台为套筒式结构，所述套筒式结构的内壁上设置有Y轴滑轨，所述摆头通过Y轴滑轨可移动安装在第二移动滑台内。

进一步的，所述Y轴滑轨与X轴滑轨的轴线呈45°夹角，所述摆头的刀具与Y轴滑轨的轴线呈45°夹角，所述刀具与X轴滑轨平行，所述主轴与Y轴滑轨的方向相同。Y轴滑轨与X轴滑轨成45°夹角，主轴的轴线与Y轴滑轨成45°角，在加工时能够便于观察，更好的把握加工的过程。

进一步的，为方便对叶片进行分段加工，所述Z轴工作台包括第一工作台、第二工作台和转台，所述转台安装在第二工作台上，所述第一工作台位于第二工作台和转台的上方，所述第一工作台为中空结构的旋转工作台。使用时，转台通过第二工作台进行升降，叶片的下部分可拆卸安装在转台上，而后将叶片的上部分穿过第一工作台的中空结构。

进一步的，为了使第一工作台、第二工作台能够独立运动，所述第一工作台和第二工作台分别安装在第三移动滑台上。

第二方面，本发明提供一种使用如上任一方案的大叶片铣削抛光机床的一种大叶片铣削抛光方法，包括：

将大叶片从上至下划分为B2、B1、A、C1、C2五段；

以A段为定位基准，将大叶片的叶身中间位置定位，将大叶片装夹在Z轴工作台，使大叶片的上部分穿过第一工作台，大叶片的下部分与第二工作台连接；

首先对B1段进行加工，第一工作台和转台带动叶身旋转，主轴带动刀具对B1段进行铣削加工；

B1段加工完成后，第一工作台和转台停止旋转，保持第一工作台不动，将第二工作台下降，带动大叶片下降，加工B2段；

B1、B2端完全加工完成后，将大叶片取下，反向装夹在第三移动滑台上，按照上述方法分别加工C1、C2两段。

本发明的有益效果在于，本发明提供的大叶片铣削抛光机床，与传统的五轴机床相比，本发明所述的反向分段加工机床将工作台设置成可以沿Z方向运动的工作台，摆件的主轴可以进行第一移动滑台和第二移动滑台的方向运动，该方案将主轴悬臂设置为Z轴滑轨方向运动，该种机床的整体结构既解决了传统五轴机床将加工工件时刚性差的问题，同时也与反向分段加工工艺相切合，真正实现了工艺和工具的统一。床体多用铸件，可以满足多种机床要求，操作方便。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明大叶片铣削抛光机床的立体结构示意图。

图2是本发明大叶片铣削抛光机床的主视结构示意图。

图3是本发明大叶片铣削抛光机床的俯视结构示意图。

图4是本发明大叶片铣削抛光机床的右视结构示意图。

图5是本发明大叶片分段划分示意图。

图6是叶片B1段加工示意图。

图7是叶片B2段加工示意图。

图8是叶片C1段加工示意图。

图9是叶片C2段加工示意图。

图10是本发明摆头初始状态示意图。

图11是本发明摆头旋转计算中间状态示意图。

图12是本发明摆头旋转后摆动θ角状态示意图。

图13是本发明摆头轴线绕Z轴顺时针转45°示意图。

图中，1、底座，2、床身，3、X轴滑轨，4、第一移动滑台，5、Y轴底座， 6、第二移动滑台，7、Y轴滑轨，8、摆头，9、Z轴滑轨，10、第三移动滑台， 11、第一工作台，12、第二工作台，13、转台。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

一种大叶片铣削抛光机床，如图1至4所示，包括床身2、X轴滑轨3、第一移动滑台4、第二移动滑台6、摆头8、Z轴滑轨9、第三移动滑台10和Z轴工作台。

所述床身2的顶端设置有X轴滑轨3和第一移动滑台4；所述第二移动滑台6 通过第一移动滑台4可移动安装在X轴滑轨3上；所述摆头8可移动安装在第二移动滑台6，所述摆头8包括摆头主体、主轴和刀具，所述主轴安装在摆头主体内部，所述刀具安装在摆头8的端部，所述主轴的一端与摆头驱动装置连接，所述主轴另一端与刀具连接；所述床身2的一侧设置有Z轴滑轨9，第三移动滑台10 安装在Z轴滑轨9上，所述Z轴工作台可升降安装在第三移动滑台10，大叶片放置在Z轴工作台。

为方便对叶片进行分段加工，所述Z轴工作台包括第一工作台11、第二工作台12和转台13，所述转台13安装在第二工作台12上，所述第一工作台11位于第二工作台12和转台13的上方，所述第一工作台11为中空结构的旋转工作台。使用时，转台13通过第二工作台12进行升降，叶片的下部分可拆卸安装在转台13上，而后将叶片的上部分穿过第一工作台11的中空结构。

为了使第一工作台11、第二工作台12能够独立运动，所述第一工作台11和第二工作台12分别安装在第三移动滑台10上。

进一步的，为了方便调节第二移动滑台6，设置Y轴底座5，所述第二移动滑台6安装在Y轴底座5上，所述第二移动滑台6通过Y轴底座5可移动安装在第一移动滑台4上。

为了方便安装摆头8，并使摆头8可移动安装在第二移动滑台6上，所述第二移动滑台6采用套筒式结构，所述套筒式结构的内壁上设置有Y轴滑轨7，所述摆头8通过Y轴滑轨7可移动安装在第二移动滑台6内。

进一步的，为了在加工时能够便于观察，更好的把握加工的过程，所述第二移动滑台6与X轴滑轨3的轴线呈45°夹角，所述摆头8与Y轴滑轨7的轴线呈45°夹角，所述刀具与X轴滑轨3平行，所述主轴与Y轴滑轨7的方向相同。Y轴滑轨7与X轴滑轨3成45°夹角，主轴的轴线与Y轴滑轨7成45°角。

刀具法矢n通过摆动后，n应与刀位点法矢v重合，刀具法矢n在Z轴滑轨上的分量仅有45°摆头8的摆动角度b有关，设摆头8摆动前初始刀具方向为n₀，摆头8摆动后刀具方向为

则在计算

时，需将摆动轴及刀具法矢n绕 Z轴滑轨9逆时针转动45°后，使得摆动轴与Z轴滑轨9重合，将逆时针旋转后的刀具法矢沿Y轴滑轨7转b角度后，再将摆动轴及刀具法矢绕Z轴滑轨9 顺时针转动45°即可获得

旋转关系如图10-13所示，图10显示的是摆头8 的初始状态，图11显示的是摆头8旋转计算中间状态，即摆头8的轴线绕Z 轴逆时针转45°，图12显示的是逆时针旋转后的摆头8摆动θ角的状态，图13 显示的是摆头8轴线绕Z轴顺时针转45°实现摆头摆动后刀轴法矢的计算。由图可知其旋转公式为：

考虑叶片的加工工艺，法矢n₀选择为(-1,0,0)，摆头8的摆动角度

的取值范围为

旋转后刀具法矢

与刀位点法矢在XOY平面内投影的夹角即为转台的转角。

由于本机床为反向分段专用机床，主要目的是为了解决大叶片等薄板件的加工问题，故在此以如图5所示薄板件为例，将薄板件的反向分段铣削加工与机床各个轴的运动结合，将反向分段加工工艺与机床的运动状态进行进一步的阐述：薄板长×宽×高＝150×5×1000mm,将其分作A、B1、B2、C1、C2五段进行后续加工。

上述大叶片铣削抛光机床的铣削抛光方法，如下：

将大叶片从上至下划分为B2、B1、A、C1、C2五段；

以A段为定位基准，将大叶片的叶身中间位置定位，将大叶片装夹在Z轴工作台，使大叶片的上部分穿过第一工作台11，大叶片的下部分与第二工作台 12连接；

首先对B1段进行加工，第一工作台11和转台13带动叶身旋转，主轴带动刀具对B1段进行铣削加工；

B1段加工完成后，第一工作台11和转台13停止旋转，保持第一工作台 11不动，将第二工作台12下降，带动大叶片下降，加工B2段；

B1、B2端完全加工完成后，将大叶片取下，反向装夹在第三移动滑台10 上，按照上述方法分别加工C1、C2两段。

本发明提供的大叶片铣削抛光机床，与传统的五轴机床相比，本发明所述的反向分段加工机床将工作台设置成可以沿Z轴滑轨9的Z方向分别独立运动的两个工作台，充分考虑了叶片多为长度较长的结构特征，利用机床床身2的尺寸，确保机床可以加工Z轴滑轨9方向上尺寸较大工件的优势，而主轴可以进行X轴滑轨3和Y轴滑轨7的XY方向运动，Y轴滑轨7与X轴滑轨3成 45°夹角，主轴头轴线与Y轴滑轨7成45°角，在加工时便于观察，能够很好的把握加工的过程。

该技术方案将主轴悬臂设置为沿z轴滑轨9方向运动，该种机床整体结构既解决了传统五轴机床加工工件时刚性差的问题，同时也与反向分段加工工艺相切合，真正实现了工艺和工具的统一。床体多用铸件，可以满足多种机床要求，操作方便。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种大叶片铣削抛光机床，其特征在于：包括床身(2)、X轴滑轨(3)、第一移动滑台(4)、第二移动滑台(6)、摆头(8)、Z轴滑轨(9)、第三移动滑台(10)和Z轴工作台；

所述床身(2)的顶端设置有X轴滑轨(3)和第一移动滑台(4)；

所述第二移动滑台(6)通过第一移动滑台(4)可移动安装在X轴滑轨(3)上；

所述摆头(8)可移动安装在第二移动滑台(6)上，所述摆头(8)包括摆头主体、主轴和刀具，所述主轴安装在摆头主体内部，所述刀具安装在摆头(8)的端部，所述主轴的一端与摆头驱动装置连接，所述主轴另一端与刀具连接；

所述床身(2)的一侧设置有Z轴滑轨(9)，第三移动滑台(10)安装在Z轴滑轨(9)上，所述Z轴工作台可升降安装在第三移动滑台(10)，大叶片放置在Z轴工作台上；

所述Z轴工作台包括第一工作台(11)、第二工作台(12)和转台(13)，所述转台(13)安装在第二工作台(12)上，所述第一工作台(11)位于第二工作台(12)和转台(13)的上方，所述第一工作台(11)为中空结构的旋转工作台；

所述第一工作台(11)和第二工作台(12)分别安装在第三移动滑台(10)上。

2.如权利要求1所述的大叶片铣削抛光机床，其特征在于：包括Y轴底座(5)，所述第二移动滑台(6)安装在Y轴底座(5)上，所述第二移动滑台(6)通过Y轴底座(5)可移动安装在第一移动滑台(4)上。

3.如权利要求2所述的大叶片铣削抛光机床，其特征在于：所述第二移动滑台(6)为套筒式结构，所述套筒式结构的内壁上设置有Y轴滑轨(7)，所述摆头(8)通过Y轴滑轨(7)可移动安装在第二移动滑台(6)内。

4.如权利要求3所述的大叶片铣削抛光机床，其特征在于：所述Y轴滑轨(7)与X轴滑轨(3)的轴线呈45°夹角，所述摆头(8)的刀具与Y轴滑轨(7)的轴线呈45°夹角，所述刀具与X轴滑轨(3)的轴线平行。

5.如权利要求1所述的大叶片铣削抛光机床，其特征在于：所述主轴与Y轴滑轨(7)的方向相同。

6.使用如权利要求1至5任一所述的大叶片铣削抛光机床的一种大叶片铣削抛光方法，其特征在于：

将大叶片从上至下划分为B2、B1、A、C1、C2五段；

以A段为定位基准，将大叶片的叶身中间位置定位，将大叶片装夹在Z轴工作台，使大叶片的上部分穿过第一工作台(11)，大叶片的下部分与第二工作台(12)连接；

首先对B1段进行加工，第一工作台(11)和转台(13)带动叶身旋转，主轴带动刀具对B1段进行铣削加工；

B1段加工完成后，第一工作台(11)和转台(13)停止旋转，保持第一工作台(11)不动，将第二工作台(12)下降，带动大叶片下降，加工B2段；

B1、B2段完全加工完成后，将大叶片取下，反向装夹在第三移动滑台(10)上，按照上述方法分别加工C1、C2两段。

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