專利名稱：葉片雙面同步高效磨拋機床的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于機械制造領(lǐng)域。
技術(shù)背景葉片是汽輪機、水輪機、航空發(fā)動機、航天推進系統(tǒng)、高速艦 船推進系統(tǒng)的典型關(guān)鍵零件。以汽輪機為例，汽輪機中葉片數(shù)目往往 多達幾千片， 一方面葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計十分復(fù)雜，影響著通流部分的氣 動性能，另一方面汽輪機葉片長期工作在高溫、高壓、巨大的離心力、 蒸汽力、腐蝕和振動以及水滴沖蝕的惡劣環(huán)境下，任何設(shè)計和制造中 的缺陷都可能導(dǎo)致工作效率降低，甚至整個機組的損壞，帶來重大經(jīng) 濟損失。葉片型面的設(shè)計、制造水平和制造質(zhì)量直接影響透平機械的 性能、效率和可靠性。近十幾年來，隨著計算機技術(shù)和現(xiàn)代控制理論等相關(guān)技術(shù)的迅 猛發(fā)展，以多軸聯(lián)動數(shù)控加工為代表的柔性加工技術(shù)和設(shè)備日趨完 善。多軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)已經(jīng)成為葉片制造的主流成型方法。瑞士威力銘一馬科黛爾公司的TB系列五軸葉片加工中心、瑞士RIGID公司 的NX系列五軸五聯(lián)動葉片型面加工機床、瑞士StarragHeckert公司的 BX 151 Win —Win五軸加工中心、意大禾ljC.B.Ferrari公司的五軸高速 葉片銑床等一定程度上代表了目前世界上中、小型葉片加工技術(shù)的最 高水平。隨著我國數(shù)控機床研發(fā)水平的不斷提高，近幾年來，我國機 床制造企業(yè)和高等院校合作在葉片加工設(shè)備方面初步形成了自主研 發(fā)能力，并為發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)提供了我們國產(chǎn)的葉片加工設(shè)備。齊二機床集團有限公司與清華大學(xué)合作研制出了世界上首臺大型龍門式五軸混聯(lián)機床(XNZ2430)，該機床非常適合飛機螺旋槳、大型水 輪機葉片等復(fù)雜曲面的加工。武漢重型機床集團有限公司與華中科技 大學(xué)國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心、鎮(zhèn)江船舶螺旋槳廠產(chǎn)學(xué)研相結(jié) 合在國家"863"計劃支持下合作開發(fā)成功CKX5680數(shù)控重型七軸五聯(lián)動車銑復(fù)合加工機床，滿足了大艦螺旋槳的加工需求。東方汽輪機廠 與北京機電院合作開發(fā)的XKH系列五軸聯(lián)動葉片加工中心采用X、Y、 Z軸移動加A、 B軸轉(zhuǎn)動的合成運動方式，通過使葉片繞A軸的連續(xù)回 轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)葉片雙面的順序加工，適合加工汽輪機、燃氣輪機的各類 葉片及各類窄長形特殊曲面的零件(如直升機的槳葉等)。哈爾濱量 具刃具集團有限責(zé)任公司與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制七軸聯(lián)動并串 聯(lián)機床，該機床主體為6 — TPS型六軸并聯(lián)機床，通過在工作臺上串 聯(lián)一個數(shù)控轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)七軸聯(lián)動，用于加工中小型的動葉片和導(dǎo)葉片。 北京航空航天大學(xué)突破了傳統(tǒng)的利用球頭銑刀加工復(fù)雜曲,面的模式， 采用圓環(huán)面刀具(以圓環(huán)面為有效工作表面的刀具，如圓環(huán)面銑刀、 圓環(huán)面砂輪等)，以圓環(huán)面刀具與葉片表面之間的線接觸代替球頭銑 刀的點接觸加工復(fù)雜曲面，并與陜西秦川機械發(fā)展股份有限公司合作 研發(fā)了QMK001型五坐標葉片加工機床，實現(xiàn)了敞開式葉片的寬行距 線接觸加工，提高了加工效率。葉片型面的加工精度和表面質(zhì)量直接影響整機的性能。目前采 用多軸聯(lián)動數(shù)控機床加工葉片型面是一種主流趨勢，銑削加工后葉片 表面呈現(xiàn)留有刀痕的扇貝面。為了保證葉片型面的表面質(zhì)量，往往需 要進行磨拋加工(這里的磨拋是指磨削和拋光)。目前葉片的磨拋加 工還主要依賴工人的手工作業(yè)，工作環(huán)境惡劣，產(chǎn)生的微小顆粒危害工人的健康，同時人工磨拋效率低，磨拋時間占總加工時間的40% 50%左右，手工磨拋對工人的依賴程度較大，葉片磨拋效果往往隨工 人的熟練程度不同而不同。手工磨拋加工對工人的操作技能要求較 高，而熟練工人的生產(chǎn)技藝需要長時間的實踐摸索和積累才能形成， 由于生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，必然會面臨熟練工人短缺的問題。制造業(yè) 正在逐漸由勞動密集型產(chǎn)業(yè)向技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變，采用自動化磨拋 技術(shù)，提高葉片磨拋的效率和表面質(zhì)量成為迫切需要解決的問題。國內(nèi)外學(xué)者普遍采用砂帶作為磨拋工具，開展葉片復(fù)雜曲面磨 拋加工自動化的研究。國外在葉片磨拋自動化方面的研究起步較早，具有代表性的是德國Metabo公司于1986年研制出的用于葉片磨拋加 工的六軸數(shù)控砂帶磨床(型號MTS —600/CNC-6， MTS — 800/CNC-6 等)，該機床在傳統(tǒng)的X、 Y、 Z和A、 B、 C軸的基礎(chǔ)上還增加了一個 壓力軸N,編程時需給N軸設(shè)定壓力的經(jīng)驗值。意大利C.B.Ferrari公司 近期開發(fā)了MY13型五軸高速葉片磨床，機床構(gòu)型為五軸聯(lián)動葉片加 工設(shè)備普遍采用的基本布局，以砂帶作為工具，通過A軸360。的連續(xù) 回轉(zhuǎn)，配以X、 Y、 Z和B軸的合成運動秀現(xiàn)葉片磨拋加工。我國從上個世紀90年代開始研究葉片數(shù)控砂帶磨拋工藝，取得 了一些重要的研究成果，并逐步在葉片加工企業(yè)得到應(yīng)用。西南科技 大學(xué)針對我國航空發(fā)動機鈦合金葉片強化拋光的現(xiàn)狀，在國外已有的 用于振動強化拋光的二維機械激振振動臺的基礎(chǔ)上，提出了三維電磁 激振強化拋光振動臺的設(shè)計思想，通過理論建模、動力學(xué)分析計算研 發(fā)了無導(dǎo)軌支承的三維振動強化拋光設(shè)備，將鈦合金葉片浸沒在拋光 液中，利用共振實現(xiàn)葉片的強化拋光加工。江南大學(xué)針對Metabo公司 六軸數(shù)控砂帶磨床N軸的壓力值無法隨葉片型面誤差變化而變化的不足，在UG環(huán)境下開發(fā)了葉片型面誤差分析模塊，建立了磨削法向力和型面誤差之間的函數(shù)關(guān)系，利用UG/OPEN API編程工具開發(fā)了 UG環(huán)境下的葉片砂帶磨削刀位數(shù)據(jù)計算和加工仿真模塊。廊坊智通 機器人系統(tǒng)有限公司以ABB工業(yè)機器人為平臺開發(fā)了由工業(yè)機器人、砂帶磨拋機和激光掃描儀組成的葉片磨拋系統(tǒng)。對于中小型葉片采用 工業(yè)機器人夾持葉片的加工方式，通過工業(yè)機器人完成葉片和固定的 磨拋砂帶之間復(fù)雜的空間運動實現(xiàn)葉片磨拋；對于大型葉片，則采用 工業(yè)機器人夾持磨拋工具的加工方式，通過工業(yè)機器人帶動磨拋工具 進行葉片型面的磨拋。綜上所述， 一方面，現(xiàn)有葉片加工設(shè)備普遍釆用單一工具頭，對 葉片雙側(cè)型面只能采取順序加工的模式，即在某一時刻只能對葉片的 單側(cè)型面進行加工。另一方面，葉片形狀近年來出現(xiàn)了彎、寬、扭、 薄的特點，葉片作為薄壁類零件，加工時如果承受的單側(cè)切削力過大， 必然會產(chǎn)生較大的變形，而且還有可能產(chǎn)生顫振，不可避免地造成葉 片加工精度的降低。為了有效地避免葉片因變形所帶來的加工誤差， 加工薄葉片時一般在薄葉片的非加工側(cè)界用輔助支撐。發(fā)明內(nèi)容本實用新型提供一種具有兩個磨拋工具系統(tǒng)，可以同時對葉片雙 側(cè)型面進行同步高效磨拋的機床，提高葉片磨拋效率，避免葉片加工 變形。本實用新型采取的技術(shù)方案包括床身、兩個成對稱布置的立柱、 兩個成對稱布置的砂帶變輪系磨拋工具系統(tǒng)、兩個成對稱布置的Z向垂直向移動機構(gòu)、兩個成對稱布置的X向移動機構(gòu)、Y向移動機構(gòu)、 翻轉(zhuǎn)夾具、回轉(zhuǎn)工作臺，其特征在于Y向移動機構(gòu)和兩個X向移動機構(gòu)固定在床身上，兩個X向移動機構(gòu)同軸且與Y向移動機構(gòu)成對稱水平垂直分布；兩個砂帶變輪系磨拋工具系統(tǒng)分別與兩個Z向移動機構(gòu) 相連；兩個Z向移動機構(gòu)分別與兩個立柱相連；兩個立柱分別與兩個 X向移動機構(gòu)相連；翻轉(zhuǎn)夾具安裝在回轉(zhuǎn)工作臺上，翻轉(zhuǎn)夾具可以實 現(xiàn)葉片的裝夾和葉片繞翻轉(zhuǎn)夾具中心軸B軸的轉(zhuǎn)動；回轉(zhuǎn)工作臺與Y 向移動機構(gòu)相連，回轉(zhuǎn)工作臺與中心軸C軸轉(zhuǎn)動連接。所說的砂帶變輪系磨拋工具系統(tǒng)包括砂帶、工具板、安裝在工具 板上的兩個張緊輪、 一個驅(qū)動輪和換輪機構(gòu)；所說的換輪機構(gòu)包括十 字滑道、四個滑動桿和四個不同直徑的接觸輪；所說的十字滑道可繞 其中心軸轉(zhuǎn)動，在十字滑道內(nèi)滑動的四個滑動桿的末端分別裝有不同 直徑接觸輪。所說的換輪機構(gòu)可以根據(jù)葉片曲率半徑變化通過滑動桿將現(xiàn)有 接觸輪收回，十字滑道繞其中心軸轉(zhuǎn)動到所需接觸輪處于水平位置， 滑動桿推動所需接觸輪將砂帶壓向葉片表面。所說的x向移動機構(gòu)包括x向驅(qū)動電機、x向絲杠/螺母副、x向滑 塊/滑道副。x向驅(qū)動電機與x向絲杠/螺，副相連，x向絲杠/螺母副與 x向滑塊相連，x向滑塊沿x向滑道運動。所說的Y向移動機構(gòu)包括Y向驅(qū)動電機、Y向絲杠/螺母副、Y向滑 塊/滑道副。Y向驅(qū)動電機與Y向絲杠/螺母副相連，Y向絲杠/螺母副與 Y向滑塊相連，Y向滑塊沿Y向滑道運動。所說的Z向移動機構(gòu)包括Z向驅(qū)動電機、Z向絲杠/螺母副、Z向滑 塊/滑道副。Z向驅(qū)動電機與Z向絲杠/螺母副相連，Z向絲杠/螺母副與 Z向滑塊相連，Z向滑塊沿Z向滑道運動。所說的兩個Z向移動機構(gòu)、兩個X向移動機構(gòu)、Y向移動機構(gòu)、翻轉(zhuǎn)夾具、回轉(zhuǎn)工作臺在運動控制上實行聯(lián)動控制，實現(xiàn)對葉片雙側(cè)型 面進行同步磨拋加工。本實用新型提供一種全新的葉片雙面同步高效磨拋機床。該機床由雙X、 Y與雙Z移動軸和B、 C轉(zhuǎn)動軸構(gòu)成。Y軸方向為葉片的縱向，釆用相對于葉片縱向?qū)ΨQ布置的雙z軸結(jié)構(gòu)，每個z軸上安裝一套磨拋工具系統(tǒng)。通過B軸和C軸的轉(zhuǎn)動保證垂直于葉片生成線的平面與 葉型曲面的交線(即葉片磨拋軌跡)始終處于XZ平面內(nèi)，同時保證 葉片的雙側(cè)型面(內(nèi)弧面和背弧面)始終處于左右的位置關(guān)系，分別 與兩個磨拋工具系統(tǒng)相對應(yīng)。磨拋砂帶在XZ面內(nèi)沿生成的磨拋軌跡 運動，通過Y軸的移動實現(xiàn)葉片整個型面的雙側(cè)同步磨拋加工。 本實用新型優(yōu)點(1) 本實用新型打破了傳統(tǒng)的采用單工具頭對葉片雙面順序加 工的模式，提出了采用雙工具頭對葉片雙面進行同步高效磨拋。將傳 統(tǒng)的葉片加工過程中單工具頭與葉片單側(cè)型面(內(nèi)弧面或背弧面)處 于上下的位置關(guān)系，改為采用兩個磨拋工具系統(tǒng)相對于葉片型面左右 對稱布置，同時對葉片雙側(cè)型面同步磨辨加工，不但磨拋效率得到明 顯提高，而且由于葉片在磨拋過程中雙面受力，有效地避免了葉片的 加工變形。(2) 本實用新型采用砂帶作為磨拋工具，采用變輪系工具系統(tǒng) 根據(jù)葉片曲面曲率半徑的變化提供不同尺寸的接觸輪，提高了磨拋工 具對葉片復(fù)雜曲面的適應(yīng)性。


圖l是本實用新型總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實用新型的砂帶變輪系磨拋工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
Y向移動機構(gòu)和兩個X向移動機構(gòu)固定在床身1上，兩個X向移動 機構(gòu)同軸且與Y向移動機構(gòu)成對稱水平垂直分布；兩個砂帶變輪系磨 拋工具系統(tǒng)9分別與兩個Z向移動機構(gòu)相連；該兩個Z向移動機構(gòu)分別與兩個立柱14相連；兩個立柱分別與兩個X向移動機構(gòu)相連；翻轉(zhuǎn)夾具10安裝在回轉(zhuǎn)工作臺16上，該翻轉(zhuǎn)夾具可以實現(xiàn)葉片的裝夾和葉片繞翻轉(zhuǎn)夾具中心軸B軸的轉(zhuǎn)動；回轉(zhuǎn)工作臺與Y向移動機構(gòu)相連，回轉(zhuǎn)工作臺提供繞其中心軸c軸的轉(zhuǎn)動。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳述。本實用新型總體結(jié)構(gòu)如圖l所示，該機床由雙X向即橫向、Y向即 縱向與雙Z移動軸和B、 C轉(zhuǎn)動軸構(gòu)成。Y軸方向為葉片的縱向，采用 相對于葉片縱向?qū)ΨQ布置的雙Z軸結(jié)構(gòu)，每個Z軸上安裝一套砂帶變 輪系磨拋工具系統(tǒng)。兩個Z向即垂直向驅(qū)動電機13、兩個Z向絲杠/螺母副,12、兩個Z 向滑道15分別對稱固定在兩個立柱14上。Z向驅(qū)動電機13與Z向絲杠/ 螺母副12相連，Z向絲杠/螺母副12與Z向滑塊11相連。兩個砂帶變輪 系磨拋工具系統(tǒng)9分別對稱固定在兩個Z向滑塊11上。Z向驅(qū)動電機13 通過Z向絲杠順母副12使Z向滑塊11沿Z向滑道15運動，實現(xiàn)砂帶變輪 系磨拋工具系統(tǒng)9的Z向運動。兩個X向驅(qū)動電機7、兩個X向絲杠/螺母副6、兩個X向滑道8分別 對稱固定在床身l上。X向驅(qū)動電機7與X向絲杠/螺母副6相連，X向絲 杠/螺母副6與X向滑塊5相連。兩個立柱14分別對稱固定在兩個X向滑 塊5上。X向驅(qū)動電機7通過X向絲杠/螺母副6使X向滑塊5沿X向滑道8 運動，實現(xiàn)砂帶變輪系磨拋工具系統(tǒng)9的X向運動。翻轉(zhuǎn)夾具10實現(xiàn)葉片的裝夾與葉片繞夾具中心軸B軸的轉(zhuǎn)動。翻轉(zhuǎn)夾具10安裝在回轉(zhuǎn)工作臺16上，回轉(zhuǎn)工作臺16實現(xiàn)葉片繞回轉(zhuǎn)工作臺中心軸c軸的轉(zhuǎn)動。Y向驅(qū)動電機17、 Y向絲杠/螺母副2、 Y向滑道3固定在床身l上。 Y向驅(qū)動電機17與Y向絲杠順母副2相連，Y向絲杠/螺母副2與Y向滑 塊4相連。回轉(zhuǎn)工作臺16固定在Y向滑塊4上。Y向驅(qū)動電機17通過Y 向絲杠/螺母副2使Y向滑塊4沿Y向滑道3運動，實現(xiàn)葉片的Y向運動。砂帶變輪系磨拋工具系統(tǒng)9的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括砂帶904、工 具板905、安裝在工具板905上的兩個張緊輪902， 一個驅(qū)動輪906和換 輪機構(gòu)；換輪機構(gòu)包括十字滑道903、在十字滑道903內(nèi)滑動的與滑動 桿908相同的四個滑動桿、四個滑動桿末端的不同直徑的接觸輪901。 換輪機構(gòu)可以根據(jù)葉片曲率半徑變化通過滑動桿908將現(xiàn)有接觸輪 901收回，十字滑道903繞其中心軸907轉(zhuǎn)動到所需接觸輪處于水平位 置，滑動桿推動所需接觸輪將砂帶904壓向葉片表面。通過B軸和C軸的轉(zhuǎn)動保證垂直于葉片生成線的平面與葉型曲面 的交線(即葉片磨拋軌跡)始終處于XZ平面內(nèi)，同時保證葉片的雙 側(cè)型面(內(nèi)弧面和背弧面)始終處于左右的位置關(guān)系，分別與兩個磨 拋工具系統(tǒng)相對應(yīng)。磨拋砂帶在XZ面內(nèi)沿生成的磨拋軌跡運動，通 過Y軸的移動實現(xiàn)葉片整個型面的雙側(cè)同步磨拋加工。
權(quán)利要求1、一種葉片雙面同步高效磨拋機床，其特征在于Y向移動機構(gòu)和兩個X向移動機構(gòu)固定在床身上，兩個X向移動機構(gòu)同軸且與Y向移動機構(gòu)成對稱水平垂直分布；兩個砂帶變輪系磨拋工具系統(tǒng)分別與兩個Z向移動機構(gòu)相連；該兩個Z向移動機構(gòu)分別與兩個立柱相連；兩個立柱分別與兩個X向移動機構(gòu)相連；翻轉(zhuǎn)夾具安裝在回轉(zhuǎn)工作臺上，該翻轉(zhuǎn)夾具可以實現(xiàn)葉片的裝夾和葉片繞翻轉(zhuǎn)夾具中心軸B軸的轉(zhuǎn)動；回轉(zhuǎn)工作臺與Y向移動機構(gòu)相連，回轉(zhuǎn)工作臺與中心軸C軸轉(zhuǎn)動連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的葉片雙面同步高效磨拋機床，其特征在 于砂帶變輪系磨拋工具系統(tǒng)包括砂帶、工具板、安裝在工具板上的兩 個張緊輪、 一個驅(qū)動輪和換輪機構(gòu)；所說的換輪機構(gòu)包括十字滑道、 四個滑動桿和四個不同直徑的接觸輪；所說的十字滑道可繞其中心軸 轉(zhuǎn)動，在十字滑道內(nèi)滑動的四個滑動桿的末端分別裝有不，直徑接觸 輪。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的葉片雙面同步高效磨拋機床，其特征在 于X向移動機構(gòu)包括X向驅(qū)動電機與X向絲杠/螺母副相連，X向絲 杠/螺母副與X向滑塊相連，該X向滑塊沿X向滑道運動。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的葉片雙面同步高效磨拋機床，其特征在 于Y向移動機構(gòu)包括Y向驅(qū)動電機與Y向絲杠/螺母副相連，Y向絲 杠/螺母副與Y向滑塊相連，該Y向滑塊沿Y向滑道運動。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的葉片雙面同步高效磨拋機床，其特征在 于Z向移動機構(gòu)包括Z向驅(qū)動電機與Z向絲杠/螺母副相連，Z向絲杠 /螺母副與Z向滑塊相連，該Z向滑塊沿Z向滑道運動。
專利摘要本實用新型涉及一種葉片雙面同步高效磨拋機床，屬于機械制造領(lǐng)域。Y向移動機構(gòu)和兩個X向移動機構(gòu)固定在床身上，兩個X向移動機構(gòu)同軸且與Y向移動機構(gòu)成對稱水平垂直分布；兩個砂帶變輪系磨拋工具系統(tǒng)分別與兩個Z向移動機構(gòu)相連；該兩個Z向移動機構(gòu)分別與兩個立柱相連；兩個立柱分別與兩個X向移動機構(gòu)相連；翻轉(zhuǎn)夾具安裝在回轉(zhuǎn)工作臺上，該翻轉(zhuǎn)夾具可以實現(xiàn)葉片的裝夾和葉片繞翻轉(zhuǎn)夾具中心軸B軸的轉(zhuǎn)動；回轉(zhuǎn)工作臺與Y向移動機構(gòu)相連，回轉(zhuǎn)工作臺提供繞其中心軸C軸的轉(zhuǎn)動。優(yōu)點在于對葉片雙側(cè)型面同步磨拋加工，不但磨拋效率得到明顯提高，而且由于葉片在磨拋過程中雙面受力，有效地避免了葉片的加工變形。
文檔編號B24B19/00GK201168905SQ200820071650
公開日2008年12月24日 申請日期2008年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月9日
發(fā)明者雷 張, 昕 王, 繼 趙 申請人:吉林大學(xué)