CN103386635B - 一种直升机复合材料桨叶数控加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直升机复合材料桨叶数控加工装置,采用悬臂式装结构，包括：用于加工复合材料桨叶的数控加工装置和用于装夹复合材料桨叶的装夹装置；数控加工装置位于装夹装置上端设置有能够沿着装夹装置横向移动的X轴运动系统；X轴运动系统的移动平台上固定有Y轴数控滑台，且Y轴数控滑台移动台面上固定有Z轴数控滑台，双工位动力头固定于Z轴数控滑台移动台面上，即此结构实现双工位动力头的X、Y和Z轴的坐标系定位移动，且双工位动力头实现电主轴的纵向摆动和横向周向转动，保证了加工工具能够完成针对复合材料桨叶的切边、铣削、钻孔三种加工要求。

Description

一种直升机复合材料桨叶数控加工装置

技术领域

本发明涉及数控加工装置，特别涉及一种直升机复合材料桨叶数控加工装置。

背景技术

桨叶是直升机的关键部件，其决定了直升机的主要性能。随着直升机使役性能要求的逐渐提高，传统金属、木材等材料的桨叶已无法满足现代直升机的高性能要求。由于复合材料具有高的比强度、比刚度、优异的疲劳性能以及可设计等诸多特点，其已逐渐取代金属、木材等材料成为现代直升机桨叶发展的必然趋势。直升机复合材料桨叶技术在20世纪70年代开始进入型号应用并逐渐趋向成熟。复合材料桨叶的主要优点是其疲劳寿命长，且其设计制造一体化的特性可显著促进桨叶的动力学性能，较理想的满足直升机桨叶的性能要求。

复合材料桨叶制备完成后，为满足其装配及高性能要求，需要对桨叶进行制孔等必要的机械加工，特别是对桨叶的一侧进行切割及铣边加工。为保证桨叶的使用性能，通常采用具有先进气动布局的型面，如非线性几何扭转角分布、平面形状和桨尖外形等，因此其几何外形十分复杂。同时，桨叶为扁状细长型构件，其长度达到4-7米，因此长度方向刚度低，加工过程中桨叶构件易产生振颤或形变，导致加工质量及精度难以保证，特别是批产质量的一致性难以控制。

复合材料优异的使用性能促进了直升机桨叶性能的进步，但是复合材料的导热系数低、各向异性、层间强度低等特点使其成为典型的难加工材料。复合材料基体树脂吸湿后将导致材料的性能下降，因此加工过程中不允许使用切削液。低导热系数导致加工过程中产生的切削热容易积聚在材料内部，导致材料温度较高，且刀具、切屑与基体之间的摩擦热被认为是导致切削热产生的主要原因。当材料温度大于树脂基体的玻璃化温度后，材料的力学性能如弹性模量、刚度等出现急剧下降，直接危及构件的加工质量及使用性能。可以看出，减少切屑在切削区域的累积，提高切削区域的冷却效率，进而有效降低加工温度是复合材料加工装置需要解决的难题之一。同时，复合材料的切屑为粉末状且密度低，极易分散在空气中，对人体健康造成危害，因此加工过程中需对切屑进行有效的收集。

为满足复合材料桨叶的装配及性能要求，所需要的机械加工主要包括切边、侧面铣边及制孔。目前，为保证桨叶的加工质量，桨叶的机械加工大多采用手工作业方式加工，不但效率低，而且加工质量很大程度上依靠工人的技术水平，加工质量一致性较差。国内尚缺乏针对复合材料桨叶的数控加工装置。由于桨叶尺寸大、刚度低、质量要求高，普通加工机床难以满足其加工需求或加工质量难以保证，而大型机床随尺寸的增加，其制造及维护成本成几何量级增加，给机床使用企业造成极大的经济压力。如何同时满足复合材料桨叶的多种加工特征要求以及降低大型装置的成本是桨叶加工装置所需解决的另外一个难题。复合材料桨叶低损伤高效加工装备已经成为直升飞机制造中急需和亟待解决的瓶颈问题。

复合材料桨叶低损伤高效加工装备的研制，为缩短直升飞机的研制周期和批产能力提供了可靠的技术保障，满足了相关企业的生产急需，具有良好的经济和社会效益。

发明内容

本发明要解决的技术问题是是直升机复合材料桨叶加工质量难以保证、加工效率低以及加工成本高昂的问题。

为达到以上目的，通过以下技术方案实现的：

一种直升机复合材料桨叶数控加工装置，其特征在于：包括，用于加工复合材料桨叶的数控加工装置和用于装夹复合材料桨叶的装夹系统；本装置以复合材料桨叶水平延伸方向为X轴方向，竖直垂直于X轴方向为Z轴方向，横向垂直于X轴和Z轴方向为Y轴方向；

此结构的装夹工作为：装夹系统与数控加工装置主体采取左右平行方式布置，具有复杂型面扁长结构的复合材料桨叶为立式安装装夹；

数控加工装置位于装夹装置上端设置有能够沿着装夹装置横向移动的X轴运动系统；X轴运动系统的移动平台上固定有Y轴数控滑台，即Y轴数控滑台滑动台面移动方向为Y轴方向，且Y轴数控滑台移动台面上固定有Z轴数控滑台，即Z轴数控滑台移动台面移动方向为Z轴方向；

Z轴数控滑台的移动台面上固定有双工位动力头；

此结构实现双工位动力头在X、Y和Z轴方向的运动，且由于X轴方向为复合材料桨叶轮廓延伸方向即X轴运动系统的X轴方向运动距离较远，进而X轴运动系统采用由电机驱动齿轮，通过齿轮与机床床身上的齿条啮合实现X轴方向运动，此运动机构中在电机与齿轮之间可配备减速器来增加运动扭矩；Y轴数控滑台和Z轴数控滑台采用伺服电机驱动滑台内部的滚珠丝杠驱动移动台面移动。

双工位动力头包括：摆动支座、旋转轴上支座、转动盘、电主轴夹具和电主轴；

摆动支座固定在Z轴数控滑台移动台面上；旋转轴支座通过横置转轴与摆动支座连接，且上述横置转轴为横向装配于摆动支座上，即旋转轴支座能够绕横置转轴相对于摆动支座上下摆动；转动盘通过纵置转轴与旋转轴上支座连接，且纵置转轴轴线垂直于旋转轴支座下端面装配，即转动盘位于旋转轴支座下端面下方，并且转动盘能够绕纵置转轴360°周向旋转；电主轴夹具固定于转动盘盘面上；电主轴夹具固定有电主轴；摆动支座和旋转轴支座上设置有定位块；

此结构能够实现电主轴的纵向摆动和横向周向转动，保证了双工位动力头能够完成针对复合材料桨叶的切边、铣削、钻孔三种加工要求。

双工位动力头上安装有防尘罩，且防尘罩另一端与吸尘器连接；

防尘罩包括：快换件、转接件、导气管和连接套件；连接套件套置于电主轴上；转接件固定于连接套件下端，且转接件为下端开口套件；快换件固定于转接件下端开口处，且快换件加工有用于电主轴上加工工具伸出的通孔；导气管一端与吸尘器连通，另一端与快换件转接件和连接套件围成腔室连通；快换件下端面设置有软毛刷；

由于树脂基复合材料具有吸湿溶胀行为，加工时不允许采用切削液，而干式加工下粉尘污染较为严重，为提高排屑及冷却效率、降低切削温度及减少粉尘污染，进而采用上述结构进行吸尘处理。

采用上述技术方案的本发明采用随动除尘方法实现了有效排屑和降低切削区域的温度；采用装夹系统，实现了数控加工过程中多种规格桨叶的高可靠性装夹；针对复合材料桨叶的切边、铣削、钻孔三种加工要求，采用多工位可调动力头，实现了桨叶的高效数控加工，进而保证了批产加工质量，同时降低了因采用大型数控机床所带来的生产加工及维护成本。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

本发明共5幅附图,其中：

图1为本发明的侧视结构示意图。

图2为本发明的数控加工装置主视结构示意图。

图3为本发明的防尘罩剖面结构示意图。

图4为本发明的双工位动力头第一加工状态立体结构示意图。

图5为本发明的双工位动力头第二加工状态立体结构示意图。

图中：1、数控加工装置，2、装夹系统，3、X轴运动系统，4、Y轴数控滑台，5、Z轴数控滑台，6、双工位动力头，6.1、摆动支座，6.2、旋转轴上支座，6.3、转动盘，6.4、电主轴夹具，6.5、电主轴，6.6、横置转轴，6.7、纵置转轴，6.8、定位块，7、防尘罩，7.1、快换件，7.2、转接件，7.3、导气管，7.4、连接套件。

具体实施方式

如图1和图2所示的一种直升机复合材料桨叶数控加工装置，包括：用于加工复合材料桨叶的数控加工装置1和用于装夹复合材料桨叶的装夹系统2；本装置以复合材料桨叶水平延伸方向为X轴方向，竖直垂直于X轴方向为Z轴方向，横向垂直于X轴和Z轴方向为Y轴方向；

此结构的装夹工作为：装夹系统2与数控加工装置1主体采取左右平行方式布置，具有复杂型面扁长结构的复合材料桨叶为立式安装装夹；

数控加工装置1位于装夹装置2上端设置有能够沿着装夹装置2横向移动的X轴运动系统3；X轴运动系统3的移动平台上固定有Y轴数控滑台4，即Y轴数控滑台4滑动台面移动方向为Y轴方向，且Y轴数控滑台4移动台面上固定有Z轴数控滑台5，即Z轴数控滑台5移动台面移动方向为Z轴方向；

Z轴数控滑台5的移动台面上固定有双工位动力头6；

此结构实现双工位动力头6在X、Y和Z轴方向的运动，且由于X轴方向为复合材料桨叶轮廓延伸方向即X轴运动系统3的X轴方向运动距离较远，进而X轴运动系统3采用由电机驱动齿轮，通过齿轮与机床床身上的齿条啮合实现X轴方向运动，此运动机构中在电机与齿轮之间可配备减速器来增加运动扭矩；Y轴数控滑台4和Z轴数控滑台5采用伺服电机驱动滑台内部的滚珠丝杠驱动移动台面移动；

为了保证装置的精度，X轴、Y轴和Z轴三个方向运动驱动装置均采用伺服机械系统；

Y轴和Z轴的运动方案采用伺服电机通过联轴器带动滚珠丝杠旋转，并由滚珠丝杠实现旋转运动向直线运动的转换，并带动移动台运动；

X轴方向的行程超过了5米，若采用滚珠丝杠传动，丝杠太长容易产生塌腰现象，因此采用齿轮齿条传动代替滚珠丝杠传动。

如图4和图5所示的双工位动力头6包括：摆动支座6.1、旋转轴上支座6.2、转动盘6.3、电主轴夹具6.4和电主轴6.5；

摆动支座6.1固定在Z轴数控滑台5移动台面上；旋转轴支座6.2通过横置转轴6.6与摆动支座6.1连接，且上述横置转轴6.6为横向装配于摆动支座6.1上，即旋转轴支座6.2能够绕横置转轴6.6相对于摆动支座6.1上下摆动；转动盘6.3通过纵置转轴6.7与旋转轴上支座6.2连接，且纵置转轴6.7轴线垂直于旋转轴支座6.2下端面装配，即转动盘6.3位于旋转轴支座6.2下端面下方，并且转动盘6.3能够绕纵置转轴6.7360°周向旋转；电主轴夹具6.4固定于转动盘6.3盘面上；电主轴夹具6.4固定有电主轴6.5；摆动支座6.1和旋转轴支座6.2上设置有用于限制旋转轴支座6.2绕横置转轴6.6轴向旋转角度的定位块6.8；

此结构能够实现电主轴6.5的纵向摆动和横向周向转动，保证了双工位动力头6能够完成针对复合材料桨叶的切边、铣削、钻孔三种加工要求；采用上述结构双工位动力头6，可以在一次装夹后满足上述三种加工需求。

针对复合材料加工过程中极易产生加工缺陷的难题，切割时采用具有切磨功能的超薄切割工具；

由于复合材料固化过程中纤维与基体热膨胀系数的差异导致桨叶构件内部存在较大的残余应力，复合材料桨叶装夹过程中如因操作不当而产生敲击、碰撞等低速冲击时，极易造成复合材料因内部应力释放而导致分层等隐性缺陷的产生，因此，复合材料桨叶的多次装夹必然导致缺陷产生的概率大大增加，可采用一种夹持可调的装夹系统2，结合本发明装置实现了一次装夹满足三种加工要求的目的，从而保证了桨叶最终的加工质量及使用性能。

如图3所示，双工位动力头6上安装有防尘罩7，且防尘罩7另一端与吸尘器连接；

防尘罩7包括：快换件7.1、转接件7.2、导气管7.3和连接套件7.4；连接套件7.4套置于电主轴6.5上；转接件7.2固定于连接套件7.4下端，且转接件7.2为下端开口套件；快换件7.1固定于转接件7.2下端开口处，且快换件7.1加工有用于电主轴6.5上加工工具伸出的通孔；导气管7.3一端与吸尘器连通，另一端与快换件7.1、转接件7.2和连接套件7.4围成腔室连通；快换件7.1下端面设置有软毛刷；

由于树脂基复合材料具有吸湿溶胀行为，加工时不允许采用切削液，而干式加工下粉尘污染较为严重，为提高排屑及冷却效率、降低切削温度及减少粉尘污染，进而采用上述防尘罩7结构进行吸尘处理；

快换件7.1上的毛刷，毛刷较软，与工件接触时不会对工件造成损伤，且能将粉尘进行遮挡和隔离，加工前将防尘罩7快换件7.1取下方便刀具的安装和对刀，对刀完成后将快换件7.1安装于防尘罩7转接件7.2之上，快换件7.1周围的毛刷用于遮挡加工中产生的粉尘，防止粉尘的弥漫，同时利用吸尘器通过转接件7.2上的吸尘接口将粉尘吸入吸尘器内腔中，实现切屑的收集，由于复合材料加工时的切削热主要是由切屑、刀具及基体之间的摩擦产生的，采用吸尘系统可以有效的将切屑带离切削区域，减少切削热的产生；

同时，吸尘系统带动切削区域空气的流动，可以提高切削热与外界环境的热交换效率，降低切削区域的温度，切削温度的降低有利于保证复合材料的加工质量，并减少了切屑的环境污染。

由于树脂基复合材料具有吸湿溶胀行为，加工时不允许采用切削液，而干式加工下粉尘污染较为严重，为提高排屑及冷却效率、降低切削温度及减少粉尘污染，进而采用上述结构进行吸尘处理。

随着大型机床尺寸的增加，其制造成本呈几何数量级增加。针对复合材料桨叶长达6米左右的加工需求，如采用传统铸铁床身，其床身模具成本极高且床身质量难以保证。通过对复合材料桨叶加工需求的分析，结合多种加工需求时的切削力测量及分析，提出采用钢架结构床身。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上诉揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种直升机复合材料桨叶数控加工装置，其特征在于：包括，用于加工复合材料桨叶的数控加工装置(1)和用于装夹复合材料桨叶的装夹装置(2)；本装置以复合材料桨叶水平延伸方向为X轴方向，竖直垂直于X轴方向为Z轴方向，横向垂直于X轴和Z轴方向为Y轴方向；

所述数控加工装置(1)位于装夹装置(2)上端设置有能够沿着装夹装置(2)横向移动的X轴运动系统(3)；所述X轴运动系统(3)的移动平台上固定有Y轴数控滑台(4)，即Y轴数控滑台(4)滑动台面移动方向为Y轴方向，且所述Y轴数控滑台(4)移动台面上固定有Z轴数控滑台(5)，即所述Z轴数控滑台(5)移动台面移动方向为Z轴方向；

所述Z轴数控滑台(5)的移动台面上固定有双工位动力头(6)；

所述双工位动力头(6)包括：摆动支座(6.1)、旋转轴上支座(6.2)、转动盘(6.3)、电主轴夹具(6.4)和电主轴(6.5)；

所述摆动支座(6.1)固定在Z轴数控滑台(5)移动台面上；所述旋转轴支座(6.2)通过横置转轴(6.6)与摆动支座(6.1)连接，且上述横置转轴(6.6)为横向装配于摆动支座(6.1)上，即所述旋转轴支座(6.2)能够绕横置转轴(6.6)相对于摆动支座(6.1)上下摆动；所述转动盘(6.3)通过纵置转轴(6.7)与旋转轴上支座(6.2)连接，且所述纵置转轴(6.7)轴线垂直于旋转轴支座(6.2)下端面装配，即转动盘(6.3)位于旋转轴支座(6.2)下端面下方，并且转动盘(6.3)能够绕纵置转轴(6.7)360°周向旋转；所述电主轴夹具(6.4)固定于转动盘(6.3)盘面上；所述电主轴夹具(6.4)固定有电主轴(6.5)；所述摆动支座(6.1)和旋转轴支座(6.2)上设置有用于限制旋转轴支座(6.2)绕横置转轴(6.6)轴向旋转角度的定位块(6.8)；

所述双工位动力头(6)上安装有防尘罩(7)，且所述防尘罩(7)另一端与吸尘器连接；

所述防尘罩(7)包括：快换件(7.1)、转接件(7.2)、导气管(7.3)和连接套件(7.4)；所述连接套件(7.4)套置于电主轴(6.5)上；所述转接件(7.2)固定于连接套件(7.4)下端，且转接件(7.2)为下端开口套件；所述快换件(7.1)固定于转接件(7.2)下端开口处，且快换件(7.1)加工有用于电主轴(6.5)上加工工具伸出的通孔；所述导气管(7.3)一端与吸尘器连通，另一端与快换件(7.1)、转接件(7.2)和连接套件(7.4)围成的腔室连通；所述快换件(7.1)下端面设置有软毛刷。