CN113263327A - 一种铣磨抛一体化装备及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铣磨抛一体化装备及加工方法。包括床身和安装在其内的加工舱，加工舱内安装五轴联动系统以及刀具选取机构，具体包括用于调整刀具空间位姿的刀具位移机构和用于调整待修整工件空间位姿的工件位姿调节机构，刀具选取机构包括安装在加工舱内的链式刀库和换刀器，链式刀库布有刀具安装位，刀具安装位中分别安装有铣削所需的各类铣刀、磨削所需的各类磨轮以及抛光所需的各类抛光轮，换刀器用于刀具更换，刀具位移机构包括主轴箱，主轴箱内安装有用于安装刀具的主轴，主轴箱上还开设若干用于喷射铣削液、磨削液和抛光液的孔。本发明加工过程避免了二次装夹，铣削、磨削、抛光过程具有相同的走刀路径，能显著提高加工后的零件的形位精度。

Description

一种铣磨抛一体化装备及加工方法

技术领域

本发明涉及机械加工设备技术领域，尤其涉及一种铣磨抛一体化装备及加工方法。

背景技术

复杂曲面高性能零件通常采用五轴联动铣削进行加工，加工后表面粗糙度Ra≥3.2μm，而高性能零件要求表面粗糙度Ra≤0.8μm，普通五轴联动铣削加工的零件表面粗糙度不满足复杂曲面高性能零件的使役要求。为此在现有技术条件下，复杂曲面高性能零件在铣削加工后仍需要磨床和抛光设备进行进一步加工以满足使役要求。这将导致零件加工过程的二次夹装，严重影响其形位精度。现有的机械磨抛，如软砂带磨抛、磁流变磨料流磨抛、机器人磨抛等抛光方法不可避免的会导致抛光过程无法保证零件的形位精度，导致复杂曲面高性能零件不满足设计要求。软砂带磨抛和磁流变磨料流磨抛容易出现“过抛”、“倒棱”，严重影响复杂曲面的形位精度和表面微观形貌。机器人磨抛通常为悬臂梁结构，末端执行器受力后悬臂梁会发生颤振，这将严重影响抛光精度。某些领域的复杂曲面高性能零件国内外通常采用手工磨抛达到表面粗糙度要求。但是，手工磨抛劳动强度大、效率低、质量不稳定，容易使操作者吸入粉尘造成职业病。综上所述，传统的机械磨抛采用复杂的机械运动应力去除前道工序留下的加工纹，加工效率低，加工后残余损伤层厚，达不到化学机械抛光的水平。

化学机械抛光工艺流程可简单归结为对工件施加一定的压力使其压在旋转的抛光垫上，同时抛光液与工件表面发生化学反应，使工件表面形成薄膜软化层，随后薄膜软化层在磨料、抛光垫的机械作用下去除，在不断交替进行的化学成膜和机械去膜过程中实现表面平坦化。化学机械抛光通常应用于平面零件的抛光，是目前可以达到全局平坦化的最有效的方法。对于复杂曲面高性能零件的化学机械抛光目前较难实现。

为此本发明提供了一种铣磨抛一体化装备，其具备五轴联动铣削、磨削和化学机械抛光的功能，能实现一次夹装就能加工出表面粗糙度Ra<10nm的大尺寸复杂曲面高性能零件。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种铣磨抛一体化装备，可以实现一次夹装就能加工制造出表面粗糙度Ra<10nm的大尺寸复杂曲面高性能零件。解决了现有五轴联动铣削加工复杂曲面表面粗糙度高，且需要进一步更换设备进行抛光，以及现有复杂曲面抛光形位精度低的难题。本发明采用的技术手段如下：

一种铣磨抛一体化装备，包括床身和安装在床身内的加工舱，所述加工舱内安装有五轴联动系统以及刀具选取机构，所述五轴联动系统包括用于调整刀具空间位姿的刀具位移机构和用于调整待修整工件空间位姿的工件位姿调节机构，所述刀具选取机构包括安装在加工舱内的链式刀库和换刀器，所述链式刀库布有多个刀具安装位，刀具安装位中分别安装有铣削所需的各类铣刀、磨削所需的各类磨轮以及抛光所需的各类抛光轮，所述换刀器用于刀具更换，所述刀具位移机构包括主轴箱，所述主轴箱内安装有用于安装刀具的主轴，所述主轴箱上还开设若干用于喷射铣削液、磨削液和抛光液的孔。

进一步地，所述刀具位移机构包括安装于床身的Z轴升降台，以及安装在Z轴升降台上的X轴平移台以及安装于X轴平移台上的Y轴平移台，所述Z轴升降台可沿Z轴平移，所述X轴平移台可沿X轴平移，构成加工舱的X轴平移自由度，所述Y轴平移台可沿Y轴平移，构成加工舱的Y轴平移自由度，还包括安装于Y轴平移台上的主轴系统，所述主轴系统可沿Z轴平移，与Z轴升降台共同构成加工舱的Z轴平移自由度，所述工件位姿调节机构包括安装于床身的摆动工作台和安装于所述摆动工作台上的带有夹具的旋转工作台，所述摆动工作台可绕Y轴在-60°～+60°之间旋转，构成加工舱的Y轴旋转自由度，所述旋转工作台可绕Z轴旋转，主轴系统与旋转工作台共同构成加工舱的Z轴旋转自由度。

进一步地，所述链式刀库安装于床身，具有链式结构并布有刀具安装位，刀具安装位中的铣刀包括盘铣刀、端面铣刀、成型铣刀、球头铣刀、鼓铣刀、立铣刀、角度铣刀、T铣刀；磨轮包括平形磨轮、斜边磨轮、筒形磨轮、杯形磨轮、碟形磨轮、陶瓷磨轮、树脂磨轮、橡胶磨轮、金属磨轮、金属结合剂磨轮；抛光轮包括布抛光轮、毛抛光轮、聚氨酯抛光轮、砂纸抛光轮、金刚石抛光轮、树脂抛光轮，链式刀库能在数控系统的控制下根据加工要求将加工所需的刀具运送至换刀位，换刀器安装于床身，处于链式刀库和主轴系统之间的换刀位，在加工过程中根据加工要求在数控系统的控制下为主轴更换所需刀具。

进一步地，所述主轴系统包括主轴箱、红外成像仪、主轴、力传感器和超声发生器，所述力传感器安装于主轴箱靠近主轴侧，其用于实时监测加工过程的铣削力、磨削力和抛光力，并将监测数据传递至数控系统；所述红外成像仪安装于主轴箱靠近主轴且不设有喷射孔一侧，且自身具有X轴旋转自由度，在数控系统的控制下实时监测加工位点的温度，并将监测数据传递至数控系统；所述超声发生器安装于主轴箱靠近主轴侧，用于在加工时根据加工需求为主轴提供超声辅助加工，超声发生器由数控系统集成控制。

进一步地，抛光液喷射孔、磨削液喷射孔以及铣削液喷射孔分别连接在抛光液循环系统，磨削液循环系统和铣削液循环系统上。

进一步地，床身上能够被铣削液、磨削液和抛光液触及的机构的表面均涂有疏水、疏油、抗腐蚀的高分子材料或塑料涂层。

本发明还公开一种复杂曲面高性能零件铣抛一体化加工方法，包括如下步骤：

步骤1、将工件夹装在带有夹具的旋转工作台上；

步骤2、根据实际加工需求对工件进行铣削加工，磨削加工，抛光加工，加工前，数控系统控制主轴运行至换刀位，同时链式刀库将所需刀具运送至换刀位，换刀器将所需刀具安装在主轴，进行对刀操作，循环系统启动，具体地，在铣削加工时铣削液循环系统将铣削液输送至铣削液喷射孔并喷送至加工位点，在磨削加工时磨削液循环系统将磨削液输送至磨削液喷射孔并喷送至加工位点，在抛光加工时抛光液循环系统将抛光液输送至抛光液喷射孔并喷送至加工位点，加工过程中根据上述步骤按需换刀。

进一步地，加工工程中，通过力传感器实时监测加工过程的铣削力、磨削力和抛光力，并将监测数据传递至数控系统，数控系统根据加工要求调整加工参数，保证加工过程中铣削力、磨削力和抛光力恒定；通过红外成像仪实时监测加工位点的温度，并将监测数据传递至数控系统，数控系统根据加工要求调整加工参数，保证加工过程中加工位点温度恒定。

本发明具有如下优点：

1.本发明提供了一种铣磨抛一体化装备，其具有五轴联动数控铣、磨、抛的功能。加工时工件只需一次夹装，在同一套加工参数下铣削加工完后通过换刀器将铣刀更换为磨轮进行磨削，磨削加工完后通过换刀器将磨轮更换为抛光轮，结合抛光液进行化学机械抛光。整个加工过程避免了二次装夹，铣削、磨削、抛光过程具有相同的走刀路径，能显著提高加工后的零件的形位精度。其解决了现有五轴联动数控铣床只能进行铣削加工，不能进行磨削、抛光，磨削、抛光还需更换设备二次装夹影响抛光精度的问题。

2.本发明提供了一种铣磨抛一体化装备，其在同一套加工参数下进行铣削、磨削和化学机械抛光，在化学机械抛光过程中利用了数控机床高刚度结构的特点，克服了现有复杂曲面通过手工磨抛效率低、形位精度低、产品差异大的缺点；克服了磁流变磨料流抛光易出现“过抛”、“倒棱”严重影响复杂曲面的形位精度和表面微观形貌的缺点；克服了机器人抛光由于自身悬臂梁结构易颤振导致抛光精度差的缺点。铣、磨、抛过程一体化，可实现高质量，高效率的复杂曲面精密加工。加工后的复杂曲面高性能零件保证了其设计时所要求的形位精度，且具有很低的表面粗糙度。

3.本发明提供了一种铣磨抛一体化装备，其在主轴箱安装有超声发生器，可以在加工时根据加工需求为主轴提供超声辅助加工。同时，该装备在铣、磨、抛的加工过程中能实时监测铣削力、磨削力和抛光力以及加工位点的温度，并能够根据加工要求实时调整加工参数，以保证铣削力、磨削力和抛光力以及加工位点温度的恒定，能应用于含能材料、放射性材料等危险材料的加工。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中装置的三维总装结构示意图。

图2为本发明实施例中装置的三维部分结构装配示意图。

图3为本发明实施例中主轴系统的三维结构示意图。

图中：1、数控系统；2、床身；3、加工舱；4、活动门；5、换刀器；6、Y轴平移台；7、主轴系统；7.1、主轴箱；7.2、红外成像仪；7.3、主轴；7.4、力传感器；7.5、超声发生器；7.6、抛光液喷射孔；7.7、切削液喷射孔；7.8、磨削液喷射孔；8、链式刀库；9、抛光液循环系统；10、磨削液循环系统；11、铣削液循环系统；12、X轴平移台；13、Z轴升降台；14、夹具及旋转工作台；15、摆动工作台。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，都属于本发明保护的范围。

如图1～3所示，本发明实施例公开了一种铣磨抛一体化装备，包括床身2和安装在床身2内的加工舱3以及数控系统1，所述加工舱3内安装有五轴联动系统以及刀具选取机构，在加工舱3处还留有活动门4安装位，所述五轴联动系统包括用于调整刀具空间位姿的刀具位移机构和用于调整待修整工件空间位姿的工件位姿调节机构，所述刀具选取机构包括安装在加工舱3内的链式刀库8和换刀器5，所述链式刀库8布有多个刀具安装位，刀具安装位中分别安装有铣削所需的各类铣刀、磨削所需的各类磨轮以及抛光所需的各类抛光轮，所述换刀器5用于刀具更换，所述刀具位移机构包括主轴箱7.1，所述主轴箱7.1内安装有用于安装刀具的主轴7.3，所述主轴箱7.1上还开设若干用于喷射铣削液、磨削液和抛光液的孔。

所述刀具位移机构包括安装于床身2的Z轴升降台13，以及安装在Z轴升降台13上的X轴平移台12以及安装于X轴平移台12上的Y轴平移台6，所述Z轴升降台13可沿Z轴平移，所述X轴平移台12可沿X轴平移，构成加工舱3的X轴平移自由度，所述Y轴平移台6可沿Y轴平移，构成加工舱3的Y轴平移自由度，还包括安装于Y轴平移台6上的主轴系统7，所述主轴系统7可沿Z轴平移，与Z轴升降台13共同构成加工舱3的Z轴平移自由度，所述工件位姿调节机构包括安装于床身2的摆动工作台15和安装于所述摆动工作台15上的带有夹具的旋转工作台14，所述摆动工作台15可绕Y轴在-60°～+60°之间旋转，构成加工舱3的Y轴旋转自由度，所述旋转工作台14可绕Z轴旋转，主轴系统7与旋转工作台14共同构成加工舱3的Z轴旋转自由度。

所述链式刀库8安装于床身2，具有链式结构并布有刀具安装位，刀具安装位中的铣刀包括盘铣刀、端面铣刀、成型铣刀、球头铣刀、鼓铣刀、立铣刀、角度铣刀、T铣刀；磨轮包括平形磨轮、斜边磨轮、筒形磨轮、杯形磨轮、碟形磨轮、陶瓷磨轮、树脂磨轮、橡胶磨轮、金属磨轮、金属结合剂磨轮；抛光轮包括布抛光轮、毛抛光轮、聚氨酯抛光轮、砂纸抛光轮、金刚石抛光轮、树脂抛光轮，链式刀库8能在数控系统1的控制下根据加工要求将加工所需的刀具运送至换刀位，换刀器5安装于床身2，处于链式刀库8和主轴系统7之间的换刀位，在加工过程中根据加工要求在数控系统1的控制下为主轴更换所需刀具。

所述主轴系统7包括主轴箱7.1、红外成像仪7.2、主轴、力传感器7.4和超声发生器7.5，所述力传感器7.4安装于主轴箱7.1靠近主轴侧，其用于实时监测加工过程的铣削力、磨削力和抛光力，并将监测数据传递至数控系统1；所述红外成像仪7.2安装于主轴箱7.1靠近主轴且不设有喷射孔一侧，且自身具有X轴旋转自由度，在数控系统1的控制下实时监测加工位点的温度，并将监测数据传递至数控系统1；所述超声发生器7.5安装于主轴箱7.1靠近主轴侧，用于在加工时根据加工需求为主轴提供超声辅助加工，超声发生器7.5由数控系统1集成控制。

抛光液喷射孔7.6、磨削液喷射孔7.8以及铣削液喷射孔分别连接在抛光液循环系统9，磨削液循环系统10和铣削液循环系统11上。具体地，在抛光加工时抛光液循环系统9将抛光液输送至抛光液喷射孔7.6并喷送至加工位点，使用后的抛光液再由抛光液循环系统9收集、过滤、存储以便再次使用。所述磨削液循环系统10与主轴箱7.1中的磨削液喷射孔7.8相连通。具体地，在磨削加工时磨削液循环系统10将磨削液输送至磨削液喷射孔7.8并喷送至加工位点，使用后的磨削液再由磨削液循环系统10收集、过滤、存储以便再次使用。所述铣削液循环系统11与主轴箱7.1中的切削液喷射孔7.7相连通。具体地，在抛光加工时切削液循环系统将切削液输送至切削液喷射孔7.7并喷送至加工位点，使用后的切削液再由切削液循环系统收集、过滤、存储以便再次使用。所述抛光液循环系统9、磨削液循环系统10、铣削液循环系统11，各系统的运行及所输送液体的流量均由数控系统1集成控制。

床身2上能够被铣削液、磨削液和抛光液触及的机构的表面均涂有疏水、疏油、抗腐蚀的高分子材料或塑料涂层。

本发明还公开一种复杂曲面高性能零件铣抛一体化加工方法，包括如下步骤：

步骤1、将工件夹装在带有夹具的旋转工作台14上；

步骤2、根据实际加工需求对工件进行铣削加工，磨削加工，抛光加工，加工前，数控系统1控制主轴运行至换刀位，同时链式刀库8将所需刀具运送至换刀位，换刀器5将所需刀具安装在主轴，进行对刀操作，循环系统启动，具体地，在铣削加工时铣削液循环系统11将铣削液输送至铣削液喷射孔并喷送至加工位点，在磨削加工时磨削液循环系统10将磨削液输送至磨削液喷射孔7.8并喷送至加工位点，在抛光加工时抛光液循环系统9将抛光液输送至抛光液喷射孔7.6并喷送至加工位点，加工过程中根据上述步骤按需换刀。

加工工程中，通过力传感器7.4实时监测加工过程的铣削力、磨削力和抛光力，并将监测数据传递至数控系统1，数控系统1根据加工要求调整加工参数，保证加工过程中铣削力、磨削力和抛光力恒定；通过红外成像仪7.2实时监测加工位点的温度，并将监测数据传递至数控系统1，数控系统1根据加工要求调整加工参数，保证加工过程中加工位点温度恒定。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种铣磨抛一体化装备，其特征在于，包括床身和安装在床身内的加工舱，所述加工舱内安装有五轴联动系统以及刀具选取机构，所述五轴联动系统包括用于调整刀具空间位姿的刀具位移机构和用于调整待修整工件空间位姿的工件位姿调节机构，所述刀具选取机构包括安装在加工舱内的链式刀库和换刀器，所述链式刀库布有多个刀具安装位，刀具安装位中分别安装有铣削所需的各类铣刀、磨削所需的各类磨轮以及抛光所需的各类抛光轮，所述换刀器用于刀具更换，所述刀具位移机构包括主轴箱，所述主轴箱内安装有用于安装刀具的主轴，所述主轴箱上还开设若干用于喷射铣削液、磨削液和抛光液的孔。

2.根据权利要求1所述的铣磨抛一体化装备，其特征在于，所述刀具位移机构包括安装于床身的Z轴升降台，以及安装在Z轴升降台上的X轴平移台以及安装于X轴平移台上的Y轴平移台，所述Z轴升降台可沿Z轴平移，所述X轴平移台可沿X轴平移，构成加工舱的X轴平移自由度，所述Y轴平移台可沿Y轴平移，构成加工舱的Y轴平移自由度，还包括安装于Y轴平移台上的主轴系统，所述主轴系统可沿Z轴平移，与Z轴升降台共同构成加工舱的Z轴平移自由度，所述工件位姿调节机构包括安装于床身的摆动工作台和安装于所述摆动工作台上的带有夹具的旋转工作台，所述摆动工作台可绕Y轴在-60°～+60°之间旋转，构成加工舱的Y轴旋转自由度，所述旋转工作台可绕Z轴旋转，主轴系统与旋转工作台共同构成加工舱的Z轴旋转自由度。

3.根据权利要求1所述的铣磨抛一体化装备，其特征在于，所述链式刀库安装于床身，具有链式结构并布有刀具安装位，刀具安装位中的铣刀包括盘铣刀、端面铣刀、成型铣刀、球头铣刀、鼓铣刀、立铣刀、角度铣刀、T铣刀；磨轮包括平形磨轮、斜边磨轮、筒形磨轮、杯形磨轮、碟形磨轮、陶瓷磨轮、树脂磨轮、橡胶磨轮、金属磨轮、金属结合剂磨轮；抛光轮包括布抛光轮、毛抛光轮、聚氨酯抛光轮、砂纸抛光轮、金刚石抛光轮、树脂抛光轮，链式刀库能在数控系统的控制下根据加工要求将加工所需的刀具运送至换刀位，换刀器安装于床身，处于链式刀库和主轴系统之间的换刀位，在加工过程中根据加工要求在数控系统的控制下为主轴更换所需刀具。

4.根据权利要求2所述的铣磨抛一体化装备，其特征在于，所述主轴系统包括主轴箱、红外成像仪、主轴、力传感器和超声发生器，所述力传感器安装于主轴箱靠近主轴侧，其用于实时监测加工过程的铣削力、磨削力和抛光力，并将监测数据传递至数控系统；所述红外成像仪安装于主轴箱靠近主轴且不设有喷射孔一侧，且自身具有X轴旋转自由度，在数控系统的控制下实时监测加工位点的温度，并将监测数据传递至数控系统；所述超声发生器安装于主轴箱靠近主轴侧，用于在加工时根据加工需求为主轴提供超声辅助加工，超声发生器由数控系统集成控制。

5.根据权利要求1所述的铣磨抛一体化装备，其特征在于，抛光液喷射孔、磨削液喷射孔以及铣削液喷射孔分别连接在抛光液循环系统，磨削液循环系统和铣削液循环系统上。

6.根据权利要求1所述的铣磨抛一体化装备，其特征在于，床身上能够被铣削液、磨削液和抛光液触及的机构的表面均涂有疏水、疏油、抗腐蚀的高分子材料或塑料涂层。

7.一种复杂曲面高性能零件铣抛一体化加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将工件夹装在带有夹具的旋转工作台上；

步骤2、根据实际加工需求对工件进行铣削加工，磨削加工，抛光加工，加工前，数控系统控制主轴运行至换刀位，同时链式刀库将所需刀具运送至换刀位，换刀器将所需刀具安装在主轴，进行对刀操作，循环系统启动，具体地，在铣削加工时铣削液循环系统将铣削液输送至铣削液喷射孔并喷送至加工位点，在磨削加工时磨削液循环系统将磨削液输送至磨削液喷射孔并喷送至加工位点，在抛光加工时抛光液循环系统将抛光液输送至抛光液喷射孔并喷送至加工位点，加工过程中根据上述步骤按需换刀。

8.根据权利要求7所述的复杂曲面高性能零件铣抛一体化加工方法，其特征在于，加工工程中，通过力传感器实时监测加工过程的铣削力、磨削力和抛光力，并将监测数据传递至数控系统，数控系统根据加工要求调整加工参数，保证加工过程中铣削力、磨削力和抛光力恒定；通过红外成像仪实时监测加工位点的温度，并将监测数据传递至数控系统，数控系统根据加工要求调整加工参数，保证加工过程中加工位点温度恒定。

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