CN114559140A - 一种用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构,包括复合材料主轴、A/C摆角加工头、第一滚柱直线导轨、第二滚柱直线导轨、齿条、滑座、减速器和驱动机构;其中,复合材料主轴的一端安装有A/C摆角加工头,复合材料主轴的另一端安装于滑座,第一滚柱直线导轨、第二滚柱直线导轨的一端均安装于滑座,且复合材料主轴可沿第一滚柱直线导轨、第二滚柱直线导轨滑动;复合材料主轴沿其轴向安装有齿条,驱动机构通过减速器的输出齿轮驱动齿条运动。该用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构的目的是解决高能束流加工设备由于难以同时满足刚性与重量要求而导致动态性能与稳定性较差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及高能束流加工技术领域,具体涉及一种用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构。
背景技术
高速、隐身、高可靠、长寿命是现代飞行器技战性能的发展趋势,因此必须采用新型轻量化复杂结构、耐高温等先进难加工材料和精密高效制造技术来减重、改进工艺过程、提高可制造性和降低生产成本。传统切削加工依靠机械能通过刀具去除余量的方式已无法满足要求,高能束流加工技术以高能量密度束流为热源与材料作用,从而实现材料去除、连接、生长和改性,因此高能束流加工设备也得到了迅速普及。高能束流(如电子束、激光束、离子束和超声波等)加工设备由于采用非接触加工,切削力很小,但伴随着飞行器构件越来越整体化和轻量化,对五轴加工设备的行程长度和动态特性要求也越来越高。
传统的大行程五轴加工设备通常采用龙门式或悬臂式结构,Z轴由合金钢或铝合金材料铸造或焊接而成,要么刚性足但重量大,动态相应特性不好;要么重量轻但刚性不足,容易引起机床共振,影响加工精度和质量。即使针对高速度、大惯量、大尺寸的部件进行CAE有限元模态分析,对结合面阻尼、局部刚度、质量分布进行分析,采取隔振、减振、抑振措施,对结构进行设计改进及优化,Z轴部件的动态性能与稳定性有所改善,但仍无法满足使用要求。
因此,发明人提供了一种用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构,解决了高能束流加工设备由于难以同时满足刚性与重量要求而导致动态性能与稳定性较差的技术问题。
(2)技术方案
本发明提供了一种用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构,包括复合材料主轴、A/C摆角加工头、第一滚柱直线导轨、第二滚柱直线导轨、齿条、滑座、减速器和驱动机构;
其中,所述复合材料主轴的一端安装有所述A/C摆角加工头,所述复合材料主轴的另一端安装于所述滑座,所述第一滚柱直线导轨、所述第二滚柱直线导轨的一端均安装于所述滑座,且所述复合材料主轴可沿所述第一滚柱直线导轨、所述第二滚柱直线导轨滑动;
所述复合材料主轴沿其轴向安装有所述齿条,所述驱动机构通过所述减速器的输出齿轮驱动所述齿条运动。
进一步地,所述复合材料主轴为碳纤维材质/泡沫夹层结构。
进一步地,所述复合材料主轴包括内蒙皮、泡沫填充层和外蒙皮,所述泡沫填充层填充于所述内蒙皮与所述外蒙皮之间。
进一步地,所述内蒙皮的截面为等八边形,所述外蒙皮的截面为等四边形,所述外蒙皮套设于所述内蒙皮。
进一步地,所述用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构还包括过渡法兰,所述A/C摆角加工头通过所述过渡法兰连接于所述复合材料主轴。
进一步地,所述用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构还包括导轨锁,所述第一滚柱直线导轨、所述第二滚柱直线导轨上均安装有所述导轨锁。
进一步地,所述用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构还包括极限保护开关,所述极限保护开关安装于所述复合材料主轴的端部。
进一步地,所述用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构还包括光栅尺和读数头,所述光栅尺设于所述复合材料主轴,所述读数头设于所述滑座上。
进一步地,所述用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构还包括挡块,所述挡块安装于所述复合材料主轴的端部。
进一步地,所述驱动机构包括第一电机、第二电机,所述驱动机构包括所述第一减速器、所述第二减速器;
所述第一电机、所述第二电机依次通过对应的所述第一减速器、所述第二减速器的输出齿轮驱动所述齿条运动。
(3)有益效果
综上,本发明采用复合材料替代合金钢或铝合金,充分发挥了复合材料低密度、高刚度的特点,可以在保证刚度和强度满足要求的前提下,与铝合金材料相比实现减重约50%。该主轴机构应用于激光加工、电子束加工或离子束加工的三维五轴设备的轻量化复合材料主轴机构,布局合理,既保证了主轴的几何精度,又减轻了主轴重量,改善了Z轴动态特性,提高了模态频率,改善了高能束流加工质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面所描述的附图仅仅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是本发明实施例提供的一种用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构的主视图;
图2是本发明实施例提供的一种用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构的左视图;
图3是本发明实施例提供的一种用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构的俯视图;
图4是图3的剖视图;
图5是本发明实施例提供的一种用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构中复合材料主轴的铺层结构示意图;
图6是本发明实施例提供的一种用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构中复合材料主轴的结构示意图。
图中:
1-复合材料主轴;101-内蒙皮;102-泡沫填充层;103-外蒙皮;104-第一金属连接板;105-第二金属连接板;106-第三金属连接板;107-第四金属连接板;2-A/C摆角加工头;3-过渡法兰;401-第一滚柱直线导轨;402-第二滚柱直线导轨;5-齿条;6-滑座;7-导轨锁;8-第一减速器;9-第一电机;10-第二减速器;11-第二电机;12-极限保护开关;13-润滑件;14-第一滑块;15-光栅尺;16-挡块;17-第二滑块;18-读数头;19-第三滑块;20-第四滑块;21-减速器输出齿轮;22-滑座上盖。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理,但不能用来限制本发明的范围,即本发明不限于所描述的实施例,在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1是本发明实施例提供的一种用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构的结构示意图,该主轴机构可以包括复合材料主轴1、A/C摆角加工头2、第一滚柱直线导轨401、第二滚柱直线导轨402、齿条5、滑座6、减速器和驱动机构;
其中,复合材料主轴1的一端安装有A/C摆角加工头2,复合材料主轴1的另一端安装于滑座6,第一滚柱直线导轨401、第二滚柱直线导轨402的一端均安装于滑座6,且复合材料主轴1可沿第一滚柱直线导轨401、第二滚柱直线导轨402滑动;
复合材料主轴1沿其轴向安装有齿条5,驱动机构通过减速器的输出齿轮驱动齿条5运动。
在上述实施方式中,采用复合材料替代合金钢或铝合金,充分发挥了高模量碳纤维复合材料低密度(只有钢材的1/4)、高刚度的特点,可以在保证刚度和强度满足要求的前提下,与铝合金材料相比实现减重约50%。
Z坐标为高能束流龙门式五轴加工机床的垂滑枕部件的垂向运动,属于该型设备的典型结构,通过Z轴滑座6和第一滑块14、第二滑块17安装于机床的Y横梁上。Z轴滑座6采用C型半包围结构,与滑座上盖22组成方型封闭结构,刚性较好。Z轴滑座6两内侧各安装有3组第三滑块19、第四滑块20,与之相连的第一滚柱直线导轨401和第二滚柱直线导轨402安装在复合材料主轴1上,使复合材料主轴1可以沿Z轴上下滑动,复材主轴1的两端安装有极限保护开关12和挡块16,实现Z轴运动的两级保护。
其中,润滑件13用于给齿条5等进行润滑,以提高主轴机构的整体运动灵活度。
在一些可选的实施例中,复合材料主轴1为碳纤维材质/泡沫夹层结构。其中,采用高模量碳纤维预浸料替代合金钢或铝合金,充分发挥了高模量碳纤维复合材料低密度(只有钢材的1/4)、高刚度的特点,可以在保证刚度和强度满足要求的前提下,与铝合金材料相比实现减重约50%。
在一些可选的实施例中,复合材料主轴1包括内蒙皮101、泡沫填充层102和外蒙皮103,泡沫填充层102填充于内蒙皮101与外蒙皮103之间。
具体地,针对Z轴行程长,动态响应特性要求高的技术难点,在保证结构刚度的基础上,进行截面结构、铺层数量及铺层角度的优化,生成铺层结构图。
设计制造内蒙皮101铺叠专用的空心管多面拼焊框架工装,兼顾方便铺叠并利于内部型腔的脱模。根据铺层结构图设计铺层展开图,下料机下料,在工装上自动铺叠预浸料。将铺叠好的铺层组用隔膜包好,用真空袋封装后抽真空压实维形。根据预定的工艺进行预固化,然后将加工好的PMI泡沫进行固定,最后铺叠外蒙皮进行固化。
对固化后的复合材料主轴1(见图5)进行加工,随后用螺纹抽钉固定安装导轨齿条用的第一金属连接板104、第二金属连接板105、第三金属连接板106及第四金属连接板107,通过四个金属连接板滑动安装于滑座6,接下来进行数控精加工就得到复材主轴成品(见图6),最后装配直线导轨及齿轮齿条等零件得到完整的复合材料Z向主轴机构。
采用螺纹抽钉的结构在复材的外边用金属条进行加固,既发挥了金属材质便于加工及修配的优点,又避免了普通螺纹连接对复合材料产生的剪切破坏,提高了结构刚性。
在一些可选的实施例中,内蒙皮101的截面为等八边形,外蒙皮102的截面为等四边形,外蒙皮102套设于内蒙皮101。其中,采用内八角外四方中间填充泡沫的结构,使得结构用尽量少的材料保证了主轴的刚度,降低了重量,而且便于预浸料铺叠和固化。
在一些可选的实施例中,用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构还包括过渡法兰3,A/C摆角加工头2通过过渡法兰3连接于复合材料主轴1。其中,复合材料主轴1内部中空可以穿行电线、气管和冷却水管等,下端通过过渡法兰3安装高能束流设备的A/C摆角加工头2,实现激光束、电子束或离子束的高速精密加工。
在一些可选的实施例中,用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构还包括导轨锁7,第一滚柱直线导轨401、第二滚柱直线导轨402上均安装有导轨锁7。其中,导轨锁7为气动导轨锁,在Z轴滑座6两侧的滑块中间安装有气动导轨锁,可以防止机械部件的非正常滑落。
在一些可选的实施例中,用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构还包括极限保护开关12,极限保护开关12安装于复合材料主轴1的端部。
在一些可选的实施例中,用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构还包括光栅尺15和读数头18,光栅尺15设于复合材料主轴1,读数头18设于滑座6上。具体地,光栅尺15为绝对光栅尺,光栅尺15安装在复合材料主轴1的后侧,读数头18安装在Z轴滑座6上实现Z轴运动的全闭环反馈。
在一些可选的实施例中,用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构还包括挡块16,挡块16安装于复合材料主轴1的端部。其中,极限保护开关12和挡块16的共同设置,能够实现Z轴运动的两级保护。
在一些可选的实施例中,驱动机构包括第一电机9、第二电机11,驱动机构包括第一减速器8、第二减速器10;第一电机9、第二电机11依次通过对应的第一减速器8、第二减速器10的输出齿轮驱动齿条5运动。
具体地,第一电机9、第二电机11均为交流伺服电机,第一减速器8、第二减速器10均为行星齿轮减速器。两台交流伺服电机经过减速器输出齿轮21驱动齿条5实现垂向运动。双电机驱动可以实现减速器输出齿轮21齿条5传动的消隙,提高Z轴的定位精度。
项目实施优先选用高模量碳纤维预浸料UC150/GW800/9A16,有助于提高主轴刚度,减少冲击变形。铺层固化按照固化工艺规范依据规定程序进行抽真空、加热及加压操作。采用沉头钛合金螺纹抽钉作为金属与复材主轴之间的连接件,有助于减少复材内部应力,减少应力集中,抽钉安装工艺规范依据Q/9S348A-2017。直线导轨和齿条的安装采用力矩扳手依据设计手册规范。
需要明确的是,本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且,为了简明起见,这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上仅为本申请的实施例而已,并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构,其特征在于,包括复合材料主轴(1)、A/C摆角加工头(2)、第一滚柱直线导轨(401)、第二滚柱直线导轨(402)、齿条(5)、滑座(6)、减速器和驱动机构;
其中,所述复合材料主轴(1)的一端安装有所述A/C摆角加工头(2),所述复合材料主轴(1)的另一端安装于所述滑座(6),所述第一滚柱直线导轨(401)、所述第二滚柱直线导轨(402)的一端均安装于所述滑座(6),且所述复合材料主轴(1)可沿所述第一滚柱直线导轨(401)、所述第二滚柱直线导轨(402)滑动;
所述复合材料主轴(1)沿其轴向安装有所述齿条(5),所述驱动机构通过所述减速器的输出齿轮驱动所述齿条(5)运动。
2.根据权利要求1所述的用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构,其特征在于,所述复合材料主轴(1)为碳纤维材质/泡沫夹层结构。
3.根据权利要求1或2所述的用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构,其特征在于,所述复合材料主轴(1)包括内蒙皮(101)、泡沫填充层(102)和外蒙皮(103),所述泡沫填充层(102)填充于所述内蒙皮(101)与所述外蒙皮(103)之间。
4.根据权利要求3所述的用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构,其特征在于,所述内蒙皮(101)的截面为等八边形,所述外蒙皮(102)的截面为等四边形,所述外蒙皮(102)套设于所述内蒙皮(101)。
5.根据权利要求1所述的用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构,其特征在于,还包括过渡法兰(3),所述A/C摆角加工头(2)通过所述过渡法兰(3)连接于所述复合材料主轴(1)。
6.根据权利要求1所述的用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构,其特征在于,还包括导轨锁(7),所述第一滚柱直线导轨(401)、所述第二滚柱直线导轨(402)上均安装有所述导轨锁(7)。
7.根据权利要求1所述的用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构,其特征在于,还包括极限保护开关(12),所述极限保护开关(12)安装于所述复合材料主轴(1)的端部。
8.根据权利要求1所述的用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构,其特征在于,还包括光栅尺(15)和读数头(18),所述光栅尺(15)设于所述复合材料主轴(1),所述读数头(18)设于所述滑座(6)上。
9.根据权利要求1所述的用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构,其特征在于,还包括挡块(16),所述挡块(16)安装于所述复合材料主轴(1)的端部。
10.根据权利要求1所述的用于高能束流加工的轻量化复合材料主轴机构,其特征在于,所述驱动机构包括第一电机(9)、第二电机(11),所述驱动机构包括所述第一减速器(8)、所述第二减速器(10);
所述第一电机(9)、所述第二电机(11)依次通过对应的所述第一减速器(8)、所述第二减速器(10)的输出齿轮驱动所述齿条(5)运动。
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CN (1) | CN114559140A (zh) |
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- 2022-03-14 CN CN202210249719.3A patent/CN114559140A/zh active Pending
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