CN103111674A

CN103111674A - 整体叶盘复合数控铣削并行结构机床

Info

Publication number: CN103111674A
Application number: CN2013100423730A
Authority: CN
Inventors: 史耀耀; 辛红敏; 张军锋; 李志山; 宁立群
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2013-05-22

Abstract

本发明公开了一种整体叶盘复合数控铣削并行结构机床，用于解决现有通用五坐标机床加工整体叶盘效率低的技术问题。技术方案是在插铣侧铣装置（15）的基础上增加了盘铣装置（2）。由于该机床将盘铣、插铣和侧铣工艺高度集成，盘铣加工用于大余量的切除，开槽加工；插铣用于扩槽加工，曲面成形；侧铣用于半精加工，除棱清根。其大扭矩、高刚性盘/插铣双动力头结构，形成了整体叶盘高效强力复合数控铣床，实现一次装夹定位，即可完成整体叶盘的粗加工以及半精加工。

Description

整体叶盘复合数控铣削并行结构机床

技术领域

本发明涉及一种整体叶盘数控铣削机床，特别是涉及一种整体叶盘复合数控铣削并行结构机床。

背景技术

整体叶盘是高推重比、高性能发动机的核心部件，也是航空航天、国防、能源、动力等领域重大装备实现减重、增效和改善性能的关键零件。与传统叶片和轮毂装配结构相比，整体叶盘省去榫头、榫槽及相应的连接件，减轻了重量，提高了推重比，使发动机的工作寿命与安全可靠性得到提升，但由于其结构复杂、通道窄、开敞性差等，使其制造技术属于国际性难题。因此，实现整体叶盘高效、高质量、低成本数控加工是提升国家重大装备制造水平、提高航空发动机工作性能的核心关键技术。

国内在整体叶盘加工方面普遍采用并依赖进口的通用五坐标机床插铣加工，难以满足整体叶盘零件的高效低成本制造要求。尤其在其粗加工阶段，加工过程使用的刀具规格多且刀具磨损严重，导致加工周期长、效率低，成本居高不下。国外新研整体叶盘加工工艺与装备技术对我国实行严密技术封锁。大量国内整体叶盘加工经验表明：现有整体叶盘粗加工装备与工艺技术已经成为整体叶盘工程化批量生产中实现高效、低成本制造的瓶颈问题。资料显示，某新型航空发动机一级风扇整体叶盘的制造，开槽粗加工材料去除量约占90％，使用高精度和高成本的进口通用五坐标加工中心，即使采用先进的插铣工艺技术，开槽粗加工仍需约40～50天时间。加工效率极其低下，已经很难适应国内航空发动机的批量化生产需求，严重制约我国新一代航空发动机技术进步和自主创新，限制我国航空工业跨越式发展和国民经济的可持续发展。因此，开展整体叶盘高效强力复合数控铣削加工工艺及装备技术研究，对实现整体叶盘高效低成本加工，满足批量化生产，非常迫切和需要。

发明内容

为了克服现有通用五坐标机床加工整体叶盘效率低的不足，本发明提供一种整体叶盘复合数控铣削并行结构机床。该机床将盘铣、插铣和侧铣工艺高度集成，盘铣加工用于大余量的切除，开槽加工；插铣用于扩槽加工，曲面成形；侧铣用于半精加工，除棱清根。其大扭矩、高刚性盘/插铣双动力头结构，可以形成整体叶盘高效强力复合数控铣床，实现一次装夹定位，即可完成整体叶盘的粗加工以及半精加工。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种整体叶盘复合数控铣削并行结构机床，包括夹具5、旋转工作台6、前床身7、方形工作台10、后床身12、插铣侧铣装置15和立柱21，其特点是还包括盘铣装置2。前床身7和后床身12固连组成T型结构的机床。Y轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副23及Y轴机床滑枕13用螺钉紧固在后床身12上，Y轴机床导轨14直接卡在Y轴机床滑枕13上，立柱21通过螺钉与Y轴机床导轨14固连。Z2轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副22和Z2轴机床滑枕24用螺钉紧固在立柱21的右侧，Z2轴机床导轨25直接卡在Z2轴机床滑枕24上，盘铣横梁1通过螺钉与Z2轴机床导轨25固连，并通过Z2轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副22与Z2轴机床滑枕24及立柱21组合在一起。盘铣装置2通过螺钉及支撑板安装在盘铣横梁1的前端，盘铣刀3通过键槽与铣刀轴固连，铣刀轴装在盘铣装置2上，盘铣刀3与盘铣装置2组成一个整体。X轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副11和X轴机床滑枕8通过螺钉紧固在前床身7上，X轴机床导轨9直接卡在X轴机床滑枕8上，方形工作台10用螺钉安装在X轴机床导轨9上，旋转工作台6用螺钉安装在方形工作台10上，夹具5安装在旋转工作台6上，整体叶盘4装夹在夹具5上。Z1轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副20和Z1轴机床滑枕18用螺钉安装在立柱21左侧，Z1轴机床导轨19直接卡在Z1轴机床滑枕18，插铣横梁17用螺钉与Z1轴机床导轨19固连，并通过Z1轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副20与Z1轴机床滑枕18及立柱21组合在一起。插铣侧铣装置15通过螺钉及支撑板安装在插铣横梁17的前端，电主轴16通过支撑轴及螺钉安装在插铣侧铣装置15上。

还包括控制系统，所述控制系统双通道七轴五联动。同时控制X轴、Y轴、Z2轴、B轴和C轴实现盘铣的加工；同时控制X轴、Y轴、Z1轴、A轴和C轴，加上主轴SP的旋转实现插铣、侧铣的加工。

所述X轴、Y轴、Z1轴和Z2轴采用光栅尺构成全闭环位置检测。

所述A轴、C轴采用光电编码器构成全闭环角度检测，采用液压锁紧，实现任意角度定位后的夹紧。

所述B轴采用鼠牙盘啮合定位锁紧，依靠伺服电机上的编码器实现半闭环角度检测。

所述SP电主轴含有内置编码器，通过编码器进行全闭环速度反馈。

所述A轴的旋转角度为-15°～105°。

所述B轴的旋转角度为-90°～90°。

所述C轴的旋转角度为0°～360°。

本发明的有益效果是：由于该机床将盘铣、插铣和侧铣工艺高度集成，盘铣加工用于大余量的切除，开槽加工；插铣用于扩槽加工，曲面成形；侧铣用于半精加工，除棱清根。其大扭矩、高刚性盘/插铣双动力头结构，形成了整体叶盘高效强力复合数控铣床，实现一次装夹定位，即可完成整体叶盘的粗加工以及半精加工。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明整体叶盘复合数控铣削并行结构机床示意图。

图2是本发明整体叶盘复合数控铣削并行结构机床侧面示意图。

图3是本发明整体叶盘复合数控铣削并行结构机床控制系统框图。

图中，1-盘铣横梁；2-盘铣装置；3-盘铣刀；4-整体叶盘；5-夹具；6-旋转工作台；7-前床身；8-X轴面床滑枕；9-X轴机床导轨；10-方形工作台；11-X轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副；12-后床身；13-Y轴机床滑枕；14-Y轴机床导轨；15-插铣侧铣装置；16-电主轴；17-插铣横梁；18-Z1轴机床滑枕；19-Z1轴机床导轨；20-Z1轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副；21-立柱；22-Z2轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副；23-Y轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副；24-Z2轴机床滑枕；25-Z2轴机床导轨。

具体实施方式

以下实施例参照图1～3。

本发明整体叶盘复合数控铣削并行结构机床包括盘铣装置2、插铣侧铣装置15、夹具5、旋转工作台6、方形工作台10、前床身7、后床身12和立柱21。

前床身7和后床身12固连组成T型结构的机床。Y轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副23及Y轴机床滑枕13用螺钉紧固在后床身12上，Y轴机床导轨14直接卡在Y轴机床滑枕13上，立柱21通过螺钉与Y轴机床导轨14固连。Z2轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副22和Z2轴机床滑枕24用螺钉紧固在立柱21的右侧，Z2轴机床导轨25直接卡在Z2轴机床滑枕24上，盘铣横梁1通过螺钉与Z2轴机床导轨25固连，并通过Z2轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副22与Z2轴机床滑枕24及立柱21组合在一起。盘铣装置2通过螺钉及支撑板安装在盘铣横梁1的前端，盘铣刀3通过键槽与铣刀轴固连，铣刀轴装在盘铣装置2上，盘铣刀3与盘铣装置2组成一个整体。X轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副11和X轴机床滑枕8通过螺钉紧固在前床身7上，X轴机床导轨9直接卡在X轴机床滑枕8上，方形工作台10用螺钉安装在X轴机床导轨9上，旋转工作台6用螺钉安装在方形工作台10上，夹具5安装在旋转工作台6上，整体叶盘4装夹在夹具5上。Z1轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副20和Z1轴机床滑枕18用螺钉安装在立柱21左侧，Z1轴机床导轨19直接卡在Z1轴机床滑枕18，插铣横梁17用螺钉与Z1轴机床导轨19固连，并通过Z1轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副20与Z1轴机床滑枕18及立柱21组合在一起。插铣侧铣装置15通过螺钉及支撑板安装在插铣横梁17的前端，电主轴16通过支撑轴及螺钉安装在插铣侧铣装置15上。

本发明采用840D数控系统，双通道七轴五联动。同时控制X轴、Y轴、Z2轴、B轴和C轴实现盘铣的加工；同时控制X轴、Y轴、Z1轴、A轴和C轴，加上主轴SP的旋转实现插铣、侧铣的加工。X轴、Y轴、Z1轴和Z2轴采用光栅尺构成全闭环位置检测；A轴、C轴采用光电编码器构成全闭环角度检测，采用液压锁紧，能够实现任意角度定位后的夹紧；B轴采用鼠牙盘啮合定位锁紧，依靠伺服电机上的编码器实现半闭环角度检测；A轴的旋转角度为-15°～105°，B轴的旋转角度为-90°～90°，C轴的旋转角度为0°～360°。SP电主轴内置编码器进行全闭环速度反馈。

加工时，将整体叶盘4装夹在旋转工作台6上，操纵整体叶盘4沿着X轴机床导轨9X轴向移动到盘铣加工区域，盘铣装置2沿Z2轴上下移动到合适位置，进而在伺服电机的带动下相对于盘铣横梁1前端面旋转到一定的角度，然后锁紧，盘铣刀3在电机的带动下旋转，进行整体叶盘4盘铣通道粗加工的切除，一个通道的粗加工余量切除完成后，在C轴带动下，旋转工作台6带动整体叶盘4旋转到指定角度，进行下一个通道的粗加工切除，如此循环至最后一个通道的切除完成为止。然后操纵整体叶盘4沿X轴机床导轨9移动至插铣侧铣装置15加工区域，插铣侧铣装置15沿Z1轴上下移动到合适位置，电主轴16摆动到指定角度，液压锁紧，进刀，进行整体叶盘通道的插铣半精加工，第一个通道的插铣加工完成后，退刀，在C轴带动下，整体叶盘4在旋转工作台6的带动下旋转一定的角度，进刀，进行第二个通道的插铣加工，如此循环，直至最后一个通道插铣加工完毕。最后依照数控程序控制插铣侧铣装置15进行小余量进给侧铣加工，如同插铣步骤一样，将电主轴16摆动到一定的角度进行液压锁紧，进刀，进行整体叶盘第一个通道的侧铣加工，然后退刀，整体叶盘4在旋转工作台6的带动下旋转一定角度，进刀，进行第二个通道的侧铣加工，如此往复，直至最后一个通道加工完为止，最后退刀，取下整体叶盘4，完成整体叶盘的粗加工和半精加工。

本发明将盘铣、插铣和侧铣工艺高度集成，盘铣加工用于大余量的切除，开槽加工；插铣用于扩槽加工，曲面成形；侧铣用于半精加工，除棱清根。自主研发的大扭矩、高刚性盘/插铣双动力头结构，形成整体叶盘高效强力复合数控铣床，实现了一次装夹定位，即可完成整体叶盘的粗、半精加工。

机床的主要性能参数为：

完成加工产品范围为

500～1000mm

机床MTBF：1500小时；

机床TK：15000小时。

铣削主轴最高转速≥8000r/min，扭矩≥900Nm；

盘铣最高转速：250r/min，扭矩≥19000Nm；

快移速度(X/Y/Y′/Z轴)≥20m/min；

工作台尺寸≥Φ800mm，承重≥1500kg；

控制轴数：7，工作通道：2，联动轴数：5。

机床主要行程参数：X轴行程≥3000mm，Y轴行程≥1200mm，Z1轴行程≥1200mm，Z2轴行程≥1400mm，A轴行程：-15°～105°，B轴行程：-90°～90°，C轴行程：0°～360°。

机床精度检测：X/Y/Y′/Z：±0.02/1000mm，A/B/C：±8〞；重复定位精度：X/Y/Y′/Z：0.016/1000mm，A/B/C：7〞。

Claims

1.一种整体叶盘复合数控铣削并行结构机床，包括夹具（5）、旋转工作台（6）、前床身（7）、方形工作台（10）、后床身（12）、插铣侧铣装置（15）和立柱（21），其特征在于还包括盘铣装置（2）；前床身（7）和后床身（12）固连组成T型结构的机床；Y轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副（23）及Y轴机床滑枕（13）用螺钉紧固在后床身（12）上，Y轴机床导轨（14）直接卡在Y轴机床滑枕（13）上，立柱（21）通过螺钉与Y轴机床导轨（14）固连；Z2轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副（22）和Z2轴机床滑枕（24）用螺钉紧固在立柱（21）的右侧，Z2轴机床导轨（25）直接卡在Z2轴机床滑枕（24）上，盘铣横梁（1）通过螺钉与Z2轴机床导轨（25）固连，并通过Z2轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副（22）与Z2轴机床滑枕（24）及立柱（21）组合在一起；盘铣装置（2）通过螺钉及支撑板安装在盘铣横梁（1）的前端，盘铣刀（3）通过键槽与铣刀轴固连，铣刀轴装在盘铣装置（2）上，盘铣刀（3）与盘铣装置（2）组成一个整体；X轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副（11）和X轴机床滑枕（8）通过螺钉紧固在前床身（7）上，X轴机床导轨（9）直接卡在X轴机床滑枕（8）上，方形工作台（10）用螺钉安装在X轴机床导轨（9）上，旋转工作台（6）用螺钉安装在方形工作台（10）上，夹具（5）安装在旋转工作台（6）上，整体叶盘（4）装夹在夹具（5）上；Z1轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副（20）和Z1轴机床滑枕（18）用螺钉安装在立柱（21）左侧，Z1轴机床导轨（19）直接卡在Z1轴机床滑枕（18），插铣横梁（17）用螺钉与Z1轴机床导轨（19）固连，并通过Z1轴伺服电机及滚珠丝杠螺母副（20）与Z1轴机床滑枕（18）及立柱（21）组合在一起；插铣侧铣装置（15）通过螺钉及支撑板安装在插铣横梁（17）的前端，电主轴（16）通过支撑轴及螺钉安装在插铣侧铣装置（15）上。

2.根据权利要求1所述的整体叶盘复合数控铣削并行结构机床，其特征在于：还包括控制系统，所述控制系统双通道七轴五联动；同时控制X轴、Y轴、Z2轴、B轴和C轴实现盘铣的加工；同时控制X轴、Y轴、Z1轴、A轴和C轴，加上主轴SP的旋转实现插铣、侧铣的加工。

3.根据权利要求2所述的整体叶盘复合数控铣削并行结构机床，其特征在于：所述X轴、Y轴、Z1轴和Z2轴采用光栅尺构成全闭环位置检测。

4.根据权利要求2所述的整体叶盘复合数控铣削并行结构机床，其特征在于：所述A轴、C轴采用光电编码器构成全闭环角度检测，采用液压锁紧，实现任意角度定位后的夹紧。

5.根据权利要求2所述的整体叶盘复合数控铣削并行结构机床，其特征在于：所述B轴采用鼠牙盘啮合定位锁紧，依靠伺服电机上的编码器实现半闭环角度检测。

6.根据权利要求2所述的整体叶盘复合数控铣削并行结构机床，其特征在于：所述SP电主轴含有内置编码器，通过编码器进行全闭环速度反馈。

7.根据权利要求2所述的整体叶盘复合数控铣削并行结构机床，其特征在于：所述A轴的旋转角度为-15°～105°。

8.根据权利要求2所述的整体叶盘复合数控铣削并行结构机床，其特征在于：所述B轴的旋转角度为-90°～90°。

9.根据权利要求2所述的整体叶盘复合数控铣削并行结构机床，其特征在于：所述C轴的旋转角度为0°～360°。