專利名稱：一種五軸聯(lián)動(dòng)臥式加工中心機(jī)床的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械制造設(shè)備，即一種用于鈦合金等難加工材料復(fù)雜型面航空結(jié)構(gòu)件 高效、高精度加工的五軸聯(lián)動(dòng)臥式加工中心機(jī)床。
背景技術(shù)：
近年來，隨著航空航天行業(yè)的迅速發(fā)展，市場上對(duì)飛機(jī)的需求量越來越大，對(duì)現(xiàn)代 飛機(jī)的性能要求也越來越高，鈦合金以比其強(qiáng)度高、機(jī)械性能好和耐腐蝕性能強(qiáng)等特點(diǎn)在 現(xiàn)代飛機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛，尤其在高性能戰(zhàn)斗機(jī)中，鈦合金所占的比例已超過40 %。鈦 合金屬于難加工材料，在實(shí)際加工中存在切削力大，導(dǎo)熱率低，摩擦力大，易形成表面硬層 等問題。同時(shí)，現(xiàn)代航空結(jié)構(gòu)件多采用整體毛坯加工方式，零件去除率大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多薄 壁、空穴、溝槽，且對(duì)零件的尺寸精度和表面質(zhì)量要求越來越高。隨著鈦合金在現(xiàn)代飛機(jī)上 所占比重的不斷增加，鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工質(zhì)量和加工效率對(duì)航空制造企業(yè)的影 響也越來越大。目前在鈦合金航空結(jié)構(gòu)件加工方面，傳統(tǒng)加工方法采用低速、大扭矩機(jī)床， 低轉(zhuǎn)速、大切深的方式加工，加工效率極為低下。隨著鈦合金在航空結(jié)構(gòu)件中的大量應(yīng)用， 鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的加工效率問題將成為制約現(xiàn)代飛機(jī)研制、生產(chǎn)的瓶頸。因此，如何實(shí)現(xiàn) 鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的高效、高精度加工成為國內(nèi)、外航空制造企業(yè)的一項(xiàng)難題。鈦合金航空結(jié)構(gòu)件加工機(jī)床多為五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，而能滿足此要求的國產(chǎn)五軸 聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床極為鮮見，且主要為立式五軸加工中心機(jī)床，加工效率較低。采用臥式五軸 加工中心加工航空結(jié)構(gòu)件比采用立式五軸加工中心排屑方便、迅速，有利于提高航空結(jié)構(gòu) 件的加工質(zhì)量；對(duì)某些板類航空結(jié)構(gòu)件，可實(shí)現(xiàn)在一臺(tái)機(jī)床上通過一次裝夾，完成多個(gè)工件 的加工，提高工件的加工效率；配置交換工作臺(tái)可實(shí)現(xiàn)多工位加工并組建柔性生產(chǎn)線，提高 設(shè)備利用率。因此臥式五軸加工中心更適合鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的高效、高精度加工。目前 國內(nèi)還沒有廠家生產(chǎn)用于加工鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的臥式五軸加工中心，用戶只能從國外進(jìn) 口，價(jià)格非常昂貴，供貨期長，且購買經(jīng)常受到限制。因此，開發(fā)此類機(jī)床對(duì)國內(nèi)機(jī)床制造企 業(yè)來說已經(jīng)迫在眉睫。臥式五軸加工中心根據(jù)其兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的布置方式可以分為3種基本結(jié)構(gòu)一為兩 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸都在主軸端的雙擺頭臥式五軸加工中心，此結(jié)構(gòu)為滿足鈦合金加工對(duì)大切削力、 大扭矩的需求，擺頭的結(jié)構(gòu)尺寸一般設(shè)計(jì)得比較大，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，導(dǎo)致擺頭和主軸懸伸 長，剛性差，主軸臥式加工時(shí)問題尤其突出；二為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸都在工作臺(tái)端的雙擺臺(tái)臥式五 軸加工中心，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是主軸結(jié)構(gòu)比較簡單，主軸剛性非常好，但一般工作臺(tái)不能設(shè)計(jì) 得太大，承重也較小，否則擺動(dòng)負(fù)載較大，動(dòng)態(tài)性能大大降低，特別是當(dāng)A軸(轉(zhuǎn)臺(tái)擺動(dòng)軸) 擺動(dòng)大于90°時(shí)，切削工件時(shí)會(huì)對(duì)工作臺(tái)產(chǎn)生很大的承載力矩；三為主軸端和工作臺(tái)端各 布置一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的單擺頭配回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的臥式五軸加工中心，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)、缺點(diǎn)為前 兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)、缺點(diǎn)的折衷，適合于同時(shí)要求高剛性和高動(dòng)態(tài)性能的中、大型零件的加工，而 鈦合金航空結(jié)構(gòu)件多為中、大型零件，且要求高剛性、大扭矩加工和高效加工，特別適合采 用第三種結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動(dòng)臥式加工中心。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種五軸聯(lián)動(dòng)臥式加工中心機(jī)床，滿足國內(nèi)航空航天行業(yè)對(duì) 鈦合金航空結(jié)構(gòu)件高效、高精度加工設(shè)備的需求。五軸聯(lián)動(dòng)臥式加工中心機(jī)床，其床身包括橫床身1和縱床身2，其特征在于橫、縱 床身呈T型布置，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在橫床身上左右運(yùn)動(dòng)為X軸運(yùn)動(dòng)，立柱在縱床身上前后運(yùn)動(dòng)為 Z軸運(yùn)動(dòng)，擺頭帶動(dòng)主軸在立柱上上下運(yùn)動(dòng)為Y軸運(yùn)動(dòng)，主軸繞X軸軸線擺動(dòng)為A軸運(yùn)動(dòng)，回 轉(zhuǎn)工作臺(tái)繞Y軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)為B軸運(yùn)動(dòng)，X軸、Y軸、Z軸、A軸和B軸可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工；機(jī) 床A軸(單擺頭)具有大擺角范圍-120° +95°，橫床身前方配有雙交換工作臺(tái)、縱床身 右側(cè)設(shè)置刀庫及換刀機(jī)械手，機(jī)床還設(shè)置刀具測量和工件測量裝置，進(jìn)行刀具斷裂檢測、刀 具尺寸測量和工件加工尺寸的自動(dòng)在線檢測；移動(dòng)立柱為正面和側(cè)面雙向變截面結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的五軸聯(lián)動(dòng)臥式加工中心與立式五軸加工中心加工鈦合金航空結(jié)構(gòu)件相 比，排屑方便、迅速，減少了切屑在工件上停留的時(shí)間，從而減小了切屑給工件帶來的熱變 形，有利于提高工件的加工精度；對(duì)于某些板類、框類航空結(jié)構(gòu)件，可分別裝夾在固定在機(jī) 床工作臺(tái)上的方形夾具的4個(gè)立面上，在一臺(tái)機(jī)床上通過一次裝夾，可完成最多4個(gè)工件 的加工，從而大大提高了工件的加工效率；該機(jī)床配置交換工作臺(tái)可實(shí)現(xiàn)多工位加工并組 建柔性生產(chǎn)線，以提高設(shè)備利用率。該機(jī)床與雙擺頭及雙擺臺(tái)結(jié)構(gòu)的臥式五軸加工中心機(jī) 床相比，兼具足夠的主軸剛性和較高的動(dòng)態(tài)性能，更適合對(duì)中、大型鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的高 效、高精度加工。機(jī)床A軸(單擺頭)具有215°大擺角范圍(-120° +95° )，可實(shí)現(xiàn)較 大的加工范圍，具有較高的加工柔性，可滿足對(duì)大范圍的具有各種形狀復(fù)雜曲面零件的加 工。機(jī)床移動(dòng)立柱采用優(yōu)化的雙向變截面結(jié)構(gòu)，以最大限度地降低其重心，減輕其重量，提 高其剛度質(zhì)量比，從而提高其運(yùn)動(dòng)速度、加速度和動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)高效加工。


圖1為本發(fā)明機(jī)床的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明機(jī)床A軸擺角范圍示意圖。圖3為本發(fā)明機(jī)床移動(dòng)立柱的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明機(jī)床移動(dòng)立柱外形結(jié)構(gòu)的正視圖。圖5為本發(fā)明機(jī)床移動(dòng)立柱外形結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的五軸聯(lián)動(dòng)臥式加工中心機(jī)床，立體結(jié)構(gòu)如圖1所示，橫床身1與縱床身2 通過螺釘連接在一起，呈T字型結(jié)構(gòu)布置。對(duì)稱布置在橫床身1上的兩個(gè)X軸驅(qū)動(dòng)伺服電 機(jī)19和20通過滾珠絲杠21和22驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)滑座3，帶動(dòng)工作臺(tái)滑座3上設(shè)置的工作臺(tái) 回轉(zhuǎn)座4和工作臺(tái)5在橫床身1上左右運(yùn)動(dòng)，為X軸運(yùn)動(dòng)。立柱6的底部與平行的滾珠絲 杠25和沈垂直安置，對(duì)稱布置在縱床身2上的兩個(gè)Z軸驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)23和M通過滾珠 絲杠25和沈驅(qū)動(dòng)立柱6在縱床身2上前后運(yùn)動(dòng)，為Z軸運(yùn)動(dòng)。布置在立柱6前立面滾珠 絲杠洲上的擺頭座7由Y軸驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)27驅(qū)動(dòng)在立柱上上下運(yùn)動(dòng)，為Y軸運(yùn)動(dòng)；擺頭座 7上的A軸驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)四驅(qū)動(dòng)主軸箱8，帶動(dòng)主軸9在擺頭座7內(nèi)繞X軸軸線擺動(dòng)，為A軸運(yùn)動(dòng)。B軸驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)30驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)座4，帶動(dòng)工作臺(tái)5在工作臺(tái)滑座3內(nèi)繞Y 軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，為B軸運(yùn)動(dòng)。機(jī)床縱床身2右側(cè)面配置刀庫10，刀庫10與主軸9之間配置換刀機(jī)械手臂11，其 從主軸9中拔出使用過的刀具，并插入新刀具，實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)交換。機(jī)床橫床身1前方配置雙交換工作臺(tái)左交換工作臺(tái)12和右交換工作臺(tái)13，左交 換工作臺(tái)12(或右交換工作臺(tái)13)將持有已加工完畢的工件的工作臺(tái)從加工區(qū)(工作臺(tái)回 轉(zhuǎn)座4上)拉到左交換工作臺(tái)12 (或右交換工作臺(tái)1 上，右交換工作臺(tái)13 (或左交換工 作臺(tái)12)將持有待加工工件的工作臺(tái)從右交換工作臺(tái)13 (或左交換工作臺(tái)12)上推到加工 區(qū)(工作臺(tái)回轉(zhuǎn)座4上)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)和工件的自動(dòng)交換，以縮短加工輔助時(shí)間，提高工件的 加工效率。在機(jī)床橫床身1上左右對(duì)稱配置分體式激光刀具測量裝置14、15，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床 刀具長度和直徑尺寸的測量，并將測量值自動(dòng)記入機(jī)床刀具數(shù)據(jù)表中，為刀具尺寸參數(shù)補(bǔ) 償提供數(shù)據(jù)；該裝置還可用于刀具破損檢測，在刀具破損時(shí)報(bào)警停機(jī)，降低工件的報(bào)廢率。機(jī)床配有工件測量裝置，工件加工完成后，由換刀機(jī)械手臂11從刀庫10中取出工 件測頭16，并將其插入主軸9中，由主軸9帶動(dòng)工件測頭16，對(duì)工件進(jìn)行在線尺寸測量。這 樣，通過一次裝夾即可完成工件的加工和檢測，提高了零件的制造效率。圖2為本發(fā)明機(jī)床A軸擺角范圍示意圖，主軸以水平狀態(tài)為零點(diǎn)，可繞X軸軸線向 下擺動(dòng)120°，向上擺動(dòng)95°，即機(jī)床A軸具有215°大擺角范圍，以實(shí)現(xiàn)較大的加工范圍和 較高的柔性，用以滿足對(duì)大范圍的各種復(fù)雜曲面零件的加工要求。圖3所示的雙向變截面立柱，在立柱設(shè)計(jì)過程中，通過有限元分析軟件對(duì)其靜態(tài) 性能和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行反復(fù)地有限元分析，并針對(duì)分析結(jié)果，找出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行修 改，最終獲得的立柱外形和結(jié)構(gòu)既具有足夠的靜剛度，又具有盡可能輕的重量和低的重心， 以獲得較高的動(dòng)態(tài)性能。最終得到的立柱6的形狀優(yōu)化為“上窄下寬”雙向變截面結(jié)構(gòu)，一 是從正面方向看，立柱正面內(nèi)邊緣是平行直邊，安置導(dǎo)軌，正面左右外邊緣為對(duì)稱的上窄下 寬，見圖4，立柱頂部寬度dl與底部寬度d2之間的比值約為0. 7，其變截面拐點(diǎn)處的截面 0-0到立柱頂端的垂直距離d3與截面0-0到立柱底端的垂直距離d4之間的比值約為1. 5， 立柱下部右側(cè)輪廓斜面與立柱右側(cè)垂直面之間的夾角值為10°，其從截面0-0與立柱上部 右側(cè)垂直面的交線處開始沿斜面向下延伸，直至與立柱下部右側(cè)垂直面相交為止；二是從 側(cè)面方向看，見圖5中側(cè)面立柱的右側(cè)即圖4中立柱的后側(cè)，立柱左側(cè)邊緣即是安裝導(dǎo)軌的 正面，是垂直于上、下端的，立柱的后側(cè)邊緣的大部為由窄到寬漸變線，立柱6后側(cè)頂部寬 度d5與底部寬度d6之間的比值約為0. 7，從立柱后側(cè)頂端開始沿斜面向下延伸，直至與立 柱下部后側(cè)垂直面相交為止，立柱后側(cè)的輪廓斜面與同側(cè)垂直面之間的夾角值為5°。立柱 下部后側(cè)垂直面交點(diǎn)低于立柱正面的截面0-0點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種五軸聯(lián)動(dòng)臥式加工中心機(jī)床，其床身包括橫床身(1)和縱床身O)，其特征在 于橫床身(1)與縱床身(2)呈T型布置，安置Y軸的立柱(6)置于對(duì)稱布置在縱床身(2) 的兩Z軸導(dǎo)軌上，由縱床身( 上的兩個(gè)Z軸驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)(23、24)分別通過滾珠絲杠05、 26)驅(qū)動(dòng)，為Z軸運(yùn)動(dòng)；安置在橫床身(1)上的工作臺(tái)滑座(3)，由橫床身(1)上的兩個(gè)X軸 驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)(19、20)分別通過對(duì)稱布置的滾珠絲杠(21、2幻驅(qū)動(dòng)，在橫床身(1)上左右 運(yùn)動(dòng)，為X軸運(yùn)動(dòng)；布置在立柱(6)上的擺頭座(7)由Y軸驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)07)通過滾珠絲杠 (28)驅(qū)動(dòng)，在立柱上上下移動(dòng)，為Y軸運(yùn)動(dòng)；內(nèi)裝主軸(9)的主軸箱(8)設(shè)置在擺頭座(7) 的中部，由A軸驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)09)驅(qū)動(dòng)，繞X軸軸線擺動(dòng)，為A軸運(yùn)動(dòng)；工作臺(tái)回轉(zhuǎn)座(4) 由B軸驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)(30)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)其上的工作臺(tái)(5)繞Y軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，為B軸運(yùn)動(dòng)；工作 臺(tái)回轉(zhuǎn)座(4)在工作臺(tái)滑座C3)之上隨之沿X軸運(yùn)動(dòng)；橫床身1前方設(shè)有交換工作臺(tái)(12、 13)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工作臺(tái)的自動(dòng)交換；縱床身(2)側(cè)面設(shè)有刀庫(10)和換刀機(jī)械手臂(11)，實(shí) 現(xiàn)刀具的自動(dòng)交換；橫床身(1)上設(shè)有刀具測量裝置(14、15)，用來進(jìn)行刀具斷裂檢測及刀 具尺寸的精確測量，為刀具尺寸參數(shù)補(bǔ)償提供數(shù)據(jù)；橫床身(1)兩側(cè)對(duì)稱布置兩臺(tái)鏈?zhǔn)脚?屑器(17、18)；機(jī)床移動(dòng)立柱(6)為雙向變截面結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五軸聯(lián)動(dòng)臥式加工中心機(jī)床，其特征在于主軸以水平狀態(tài)為 零點(diǎn)，可繞X軸軸線向下擺動(dòng)120°，向上擺動(dòng)95°，即機(jī)床A軸具有215°的大擺角范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五軸聯(lián)動(dòng)臥式加工中心機(jī)床，其特征在于機(jī)床移動(dòng)立柱(6) 的雙向變截面結(jié)構(gòu)外形正面方向左右外邊緣對(duì)稱上窄下寬、側(cè)面方向的后側(cè)邊緣從上至 下部的大部為由窄到寬漸變線，與正面漸變線重合后的下部等寬至底邊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的五軸聯(lián)動(dòng)臥式加工中心機(jī)床，其特征在于機(jī)床移動(dòng)立柱(6) 正面頂部寬度dl與底部寬度d2之間的比值約為0. 7，其變截面拐點(diǎn)處的截面0-0到立柱頂 端的垂直距離d3與截面0-0到立柱底端的垂直距離d4之間的比值約為1. 5，立柱下部斜面 輪廓側(cè)與立柱對(duì)稱內(nèi)側(cè)垂直邊緣之間的夾角值為10°，其從截面0-0與立柱上部左側(cè)垂直 面的交線處開始沿斜面向下延伸，直至與立柱下部左側(cè)垂直面相交為止；立柱下部右側(cè)輪 廓斜面與立柱右側(cè)垂直面之間的夾角值為10°，其從截面0-0與立柱上部右側(cè)垂直面的交 線處開始沿斜面向下延伸，直至與立柱下部右側(cè)垂直面相交為止；立柱的后側(cè)邊緣的大部 為由窄到寬漸變線，立柱(6)后側(cè)頂部寬度d5與底部寬度d6之間的比值約為0.7，從立柱 后側(cè)頂端開始沿斜面向下延伸，直至與立柱下部后側(cè)垂直面相交為止，立柱后側(cè)的輪廓斜 面與同側(cè)垂直面之間的夾角值為5°。立柱下部后側(cè)垂直面交點(diǎn)低于立柱正面的截面0-0 點(diǎn)。
全文摘要
五軸聯(lián)動(dòng)臥式加工中心機(jī)床，其床身包括橫床身和縱床身，其特征在于橫、縱床身呈T型布置，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在橫床身上左右運(yùn)動(dòng)為X軸運(yùn)動(dòng)，立柱在縱床身上前后運(yùn)動(dòng)為Z軸運(yùn)動(dòng)，擺頭帶動(dòng)主軸在立柱上上下運(yùn)動(dòng)為Y軸運(yùn)動(dòng)，主軸繞X軸軸線擺動(dòng)為A軸運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)繞Y軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)為B軸運(yùn)動(dòng)，X軸、Y軸、Z軸、A軸和B軸可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工；A軸單擺頭具有大擺角范圍-120°～+95°，橫床身前方配有雙交換工作臺(tái)、縱床身右側(cè)設(shè)置刀庫及換刀機(jī)械手，還設(shè)置刀具測量和工件測量裝置；移動(dòng)立柱為正面和側(cè)面的雙向變截面結(jié)構(gòu)。適合對(duì)中、大型鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的高效、高精度加工。滿足國內(nèi)航空航天行業(yè)對(duì)鈦合金航空結(jié)構(gòu)件高效、高精度加工設(shè)備的需求。
文檔編號(hào)B23Q3/00GK102091942SQ20101061381
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者侯延星, 劉春時(shí), 化春雷, 周樹藩, 崔欣平, 張傳思, 張健, 張凱, 徐兆成, 徐吉存, 戚遠(yuǎn)大, 李焱, 楚文龍, 羅和平, 趙雷, 閆海, 韓佳偉, 馬云鵬 申請(qǐng)人:中捷機(jī)床有限公司