專利名稱：一種雙刀加工葉片的臥式機床結構的制作方法
技術領域：
本發明屬于機床技術領域，涉及一種機床結構，尤其是一種用于汽輪機長葉片型 面加工的雙刀加工葉片的臥式機床結構。
背景技術：
葉片是汽輪機的核心部件之一，它起著將蒸汽的動能轉換為機械能的作用。汽輪 機效率的高低，很大程度上取決于葉片型面的設計和制造水平。汽輪機長葉片的長寬比大， 截面復雜，其加工時特性和細長軸類零件有類似的地方。細長軸類零件(長徑比>20)強 度和剛度差，在加工時受到自身重量、切削力和切削熱的影響，極易產生振動和變形，加工 質量難以保證，甚至造成零件加工過程中斷。一般長軸類零件加工時采用加中心架或者跟 刀架對零件進行輔助支撐。通過增加合理的輔助支撐結構形式，或者合理選擇刀具和切削 用量可以在一定程度上提高零件的加工精度。這種方式適用于加工長徑比大、截面不復雜 的軸類零件。但是汽輪機長葉片很難用這種方式來加工。其長寬比大，且葉片型面是復雜 空間曲面，表面還常有其他結構，加工過程中不易對其增加輔助支撐。實際加工中常通過合 理選用加工刀具和改變切削用量等工藝參數來改善零件的加工質量。目前，長葉片的型面加工主要采用五軸聯動的數控加工中心來加工，一次裝夾就 可以完成葉身型面、內背弧凸臺、葉根過渡圓角、葉冠過渡圓角及葉冠裝配面型線等結構的 加工。五軸聯動數控加工中心都是采用單刀來加工葉片的。單刀加工葉片時，采用了五坐 標加工技術，五坐標是指三個移動坐標加兩個轉動坐標，根據轉動坐標的不同分配方案，又 可以分為采用雙擺頭、單擺頭加轉臺以及雙轉臺的結構形式。汽輪機葉片加工機床中，多采 用的是后兩種結構形式。無論采用哪種結構形式，相比傳統三軸加工葉片，五軸機床加工葉 片的過程中，可以實現兩個方向上刀軸矢量的控制，因而使得在葉片加工的過程中，可以采 用加工效率更高的端銑刀，同時還可提高葉片加工的工藝范圍，并且可以改善葉片的加工 質量。兩個方向上刀軸矢量的控制是通過處于進給方向平面內的前傾角和垂直進給方向平 面的側傾角來描述的。在葉片五軸加工數控編程時，由于葉片的結構特點，前傾角的設定是 十分關鍵的。單刀葉片加工時，前傾角的實現是通過調整葉片旋轉角度實現的，側傾角則是 通過刀具端的單擺頭來實現的，在加工過程中，長葉片相當于一根兩端固定的梁，當刀具作用在上面時，切削力會 使得葉片發生明顯的變形，影響葉片型面的加工質量。特別是在粗加工階段，切削量大，切 削力對葉片精度的影響就更加不可忽略。同時單刀葉片加工的效率太低，不能滿足現代快 速機加工的要求。現有針對雙刀加工方式的機床結構主要是針對雙刀車削細長軸類和雙刀銑削薄 板類零件提出的，由于細長軸類和薄板類零件的幾何形狀較簡單，因此雙刀加工機床兩側 刀具的布置基本成180° (如圖1)。由于汽輪機長葉片型面較復雜，如果雙刀采用傳統的180°的布置形式，將無法滿 足葉片加工的質量要求，也難以充分發揮出雙刀加工葉片的優勢。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種雙刀加工葉片的臥式機床 結構，該機床結構中待加工葉片采用臥式裝夾方式，使雙刀同時對長葉片進行加工，通過兩 刀在長葉片型面兩側同時加工，使葉片受力能夠部分或者全部抵消，從而能夠有效改善長 葉片型面在加工過程中的受力狀態，減小長葉片型面的加工變形量，并且能夠提高加工效率。本發明的目的是通過以下技術方案來解決的這種雙刀加工葉片的臥式機床結構，包括一臥式床身，該床身的上端面呈水平面， 該床身的上端面通過軌道機構水平設有一能沿床身軸向滑動的工作臺；所述工作臺的上端 面設有工件裝夾機構；所述工作臺的兩側于床身上分別固定有一套刀具運動機構，所述刀 具運動機構包括主軸頭以及驅動主軸頭在空間X、Y或Z方向運動的驅動機構；所述工作臺 兩側的兩套刀具運動機構中至少有一副主軸頭與驅動機構之間通過擺頭連接實現擺動自 由度；所述工件裝夾機構上裝夾待加工葉片，所述兩套刀具運動機構中刀具端的兩個主軸 頭分設于待加工葉片型面兩側，且一個主軸頭的零位軸線和另一個主軸頭的軸線成一固定 夾角β。上述工件裝夾機構包括旋轉夾具和尾架，所述旋轉夾具和尾架分別設置于工作臺 的前后兩端。上述刀具運動機構的驅動機構包括刀具底座、設于刀具底座上的刀具立柱以及設 于刀具立柱上能垂直升降的滑架；所述刀具底座水平固定于床身的兩側邊，刀具底座的上 端面設有沿垂直于床身方向的軌道，所述刀具立柱的下端設有與刀具底座的軌道相配合的 軌道槽，且在刀具立柱與刀具底座之間設有驅動刀具立柱沿軌道滑動的絲杠機構；所述刀 具立柱的內側為豎直面，在該豎直面上設有豎直軌道，所述滑架的側面設有軌道槽，滑架通 過軌道槽設置在刀具立柱的豎直軌道上，且滑架與刀具立柱之間設有驅動滑架沿豎直軌道 滑動的絲杠機構。進一步，上述主軸頭固定設于滑架上，且至少有一副主軸頭與滑架之間通過擺頭 連接。進一步，上述床身是一橫截面呈凸字形的結構。進一步，上述工作臺前端設有突起的固定架，所述前端的固定架上固定設有一所 述旋轉夾具，所述工作臺的上端面后端還軸向設有軌道，所述尾架的底部設有配合工作臺 軌道的軌道槽，且所述尾架與工作臺之間還設有驅動尾架沿工作臺軌道滑動的絲杠機構； 所述尾架與工作臺之間還設有鎖緊機構。本發明具有以下有益效果由于擺頭結構形式的刀具擺動范圍最大為士90°，在設計雙刀加工葉片專用機床 時，使兩側主軸間夾角成一定固定值β，可以確定機床的工藝范圍，充分發揮雙刀加工的優 勢。具體體現在以下兩點1)顯著提高加工效率，雙刀頭對零件可以同時進行加工，通過合理的安排零件的 加工工藝，加工效率比單刀頭明顯增加；2)減小長葉片在加工中的變形。對長葉片來說，加工時因為切削力而引起的變形是很大的，特別是切削量很大時。這種變形對零件的最終加工質量有很大影響。對軸類零 件，可以通過增加中間支撐的方式來減小加工中的變形，但對于截面不規則的汽輪機長葉 片來說，增加支撐是很困難的。通過本發明的雙刀頭的臥式機床結構，在加工過程中合理的 安排兩個刀具的位置，使得刀具作用在零件上的切削力能夠得到一部分甚至是完全抵消， 這將顯著的減小零件的變形，提高零件加工質量。
圖1為現有技術中的雙刀加工方法示意圖；其中(a)為對刀車削細長軸；(b)為雙刀銑削薄板件；圖2為本發明的臥式機床方案的結構示意圖；圖3為圖2的前視圖；圖4為雙刀加工葉片的工作示意圖；圖5為圖4的葉片受力分析圖。其中1為擺頭；2為工作臺；3為滑架；4為刀具立柱；5為刀具底座；6為尾架；7 為床身；8為旋轉夾具；9、10為主軸頭；11為待加工葉片；12、13為刀具。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述首先本發明的機床機構是基于以下雙刀頭加工的工作原理來實現的其工作原理如圖4所示，在加工時，帶有刀具的主軸頭9和主軸頭10分別在待加 工葉片11的型面兩側運動。兩個主軸頭的運動由兩個單獨的運動機構控制，并通過總的控 制系統進行協調。其工作方式主要有兩種形式(1)提高加工效率的工作方式在這種工作方式時，雙刀加工的目的主要是為了提高加工效率。其工作原理如圖 4所示，兩主軸頭9、10分別帶動刀具在葉片型面兩側運動，對待加工葉片11進行加工。兩 個刀頭間在加工時的關系取決于所采用的加工工藝方法，可以是同時進行粗加工，也可以 是一個刀頭完成粗加工一個刀頭完成精加工，提高加工效率。(2)改善加工質量的工作方式在這種工作方式下，雙刀頭加工主要考慮減少加工時長葉片的變形和振動。刀具 相對于葉片的傾斜角度由數控系統決定，加工過程中始終保持兩刀頭上的刀具相對零件有 一個合適的角度，使得作用在零件上的切削合力能夠部分或者全部抵消，這將很大程度上 減小零件的變形。此外，兩個刀頭同時加工也能顯著的提高加工效率。在加工汽輪機葉片時常采用球頭銑刀，雙刀頭加工時其受力分析如下圖5所示。 對單個銑刀而言，切削時主要受到三個力的作用，一個是主切削力，作用在銑刀的圓周方向 上；一個是徑向力，作用在銑刀的半徑方向上；最后一個是軸向力，作用在銑刀的軸線方向 上。與此相對應，待加工葉片受到單個銑刀對它施加的三個作用力。一般在分析時將刀具對 待加工葉片的切削力分解為三個相互垂直的作用力，如圖所示，Fe為橫向分力、Fv為作用于 工作臺面垂直方向的力、Ff為縱向分力。當兩個刀具在待加工葉片的型面兩側加工時，合理 地安排兩者的運動路徑，可以使得兩個刀具對待加工葉片的作用力一部分或者是全部相互加工葉片在加工中的變形大大減小，有利于提高待加工葉片的加工質量。基于以上原理，本發明的雙刀加工葉片的臥式機床結構如下參見圖2，這種雙刀加工葉片的臥式機床結構包括一臥式床身7，該床身7的上端 面呈水平面，該床身7的上端面通過軌道機構水平設有一能沿床身7軸向滑動的工作臺2 ； 工作臺2的上端面設有工件裝夾機構；工作臺2的兩側于床身7上分別固定有一套刀具運 動機構，刀具運動機構包括主軸頭9/10以及驅動主軸頭9/10在空間X、Y方向運動的驅動 機構；工作臺2兩側的兩套刀具運動機構中至少有一副主軸頭9/10與驅動機構之間通過擺 頭1連接實現擺動自由度；工件裝夾機構上裝夾待加工葉片，兩套刀具運動機構中主軸頭 9/10的兩個刀具12/13分設于待加工葉片型面兩側，且主軸頭9的零位軸線與主軸頭10的 軸線成一固定夾角β，如圖3所示。本發明的工件裝夾機構包括尾架6和旋轉夾具8，工件裝夾機構的安裝情況是這 樣的在工作臺2前端設有突起的固定架，固定架上固定設有一旋轉夾具8，工作臺2的上 端面后端還軸向設有軌道，尾架6的底部設有配合工作臺2軌道的軌道槽，且尾架6與工作 臺2之間還設有驅動尾架6沿工作臺2軌道滑動的絲杠機構；尾架6與工作臺2之間還設 有鎖緊機構。如圖2，上述刀具運動機構的驅動機構包括刀具底座5、設于刀具底座5上的刀具 立柱4以及設于刀具立柱4上能垂直升降的滑架3 ；刀具底座5水平固定于床身7的兩側 邊，刀具底座5的上端面設有沿垂直于Z方向的軌道，刀具立柱4的下端設有與刀具底座5 的軌道相配合的軌道槽，且在刀具立柱4與刀具底座5之間設有驅動刀具立柱4沿軌道滑 動的絲杠機構；刀具立柱4的內側為豎直面，在該豎直面上設有豎直軌道，所述滑架3的側 面設有軌道槽，滑架3通過軌道槽設置在刀具立柱4的豎直軌道上，且滑架3與刀具立柱4 之間設有驅動滑架3沿豎直軌道滑動的絲杠機構。主軸頭9/10固定設于滑架3上，且至少 有一副主軸頭9/10與滑架3之間通過擺頭1連接。在本發明的較佳實施例中，床身3采用 橫截面呈凸字形的結構。本發明的工作過程如下首先裝夾待加工葉片，待加工葉片通過尾架6和旋轉夾具8裝夾，尾架6可以在工 作臺2上沿軌道在Z軸方向(如圖2所示的坐標標記)上滑動以調節尾架6和旋轉夾具8 之間的裝夾距離，以滿足不同長度葉片的加工。圖3中的主軸頭9通過擺頭1實現擺動，主 軸頭10則無法擺動。為滿足雙刀加工葉片的需要，主軸頭9的零位軸線和主軸頭10的軸 線成一固定夾角β，這一角度值是指在垂直于葉片的平面內所成的角度，即在垂直于Z向 的平面內，角度值按所加工葉片類型范圍來確定。葉片在加工過程中，可以在旋轉夾具8的 帶動下實現旋轉。主軸頭9在擺頭1的帶動下，在葉片加工中可以擺動；通過刀具立柱4的 移動，主軸頭9可以實現X向運動；滑架3在刀具立柱4上可以上下移動，主軸頭9因此可 以在葉片加工中實現Y向移動。這樣，主軸頭9就可以實現兩個方向的移動自由度和一個 擺動自由度。參照圖3所示，主軸頭10和主軸頭9的移動自由度形式是對稱的，其工作過 程也相同，所不同的是，主軸頭10在葉片加工中無法擺動，因此主軸頭10在葉片加工中只 可以實現兩個移動自由度。參照圖2所示，工作臺2可以在床身7上實現Z向移動，同時滿 足了主軸頭10與主軸頭9在Z向的相對移動，即自由度共用。兩點說明
1)圖2本發明涉及的結構中，主軸頭9具有兩個移動自由度和一個轉動自由度，主 軸頭10具有兩個移動自由度，工作臺2有一個共用移動自由度。按照待加工葉片加工的復 雜程度和刀具選用的不同，還可能在主軸頭9和主軸頭10上增加自由度。2)主軸頭9和主軸頭10的兩個移動自由度的結構實現形式還有很多種，這里只是 為說明方便，介紹了其中一種布局形式。無論哪種采用臥式裝夾葉片的機床結構形式，只要滿足在垂直葉片回轉軸線的 平面內，主軸頭9和主軸頭10零位軸線夾角成一個固定角度，都應屬于本專利說明范圍。
權利要求
1.一種雙刀加工葉片的臥式機床結構，包括一臥式床身(7)，其特征在于所述床身 (7)的上端面呈水平面，該床身(7)的上端面通過軌道機構水平設有一能沿床身(7)軸向滑 動的工作臺O)；所述工作臺(2)的上端面設有工件裝夾機構；所述工作臺(2)的兩側于床 身(7)上分別固定有一套刀具運動機構，所述刀具運動機構包括主軸頭(9/10)以及驅動主 軸頭(9/10)在空間X、Y方向運動的驅動機構；所述工作臺(2)兩側的兩套刀具運動機構中 至少有一副主軸頭(9/10)與驅動機構之間通過擺頭(1)連接實現擺動自由度；所述工件裝 夾機構上裝夾待加工葉片，所述兩套刀具運動機構中主軸頭(9/10)的兩個刀具(12/13)分 設于待加工葉片型面兩側，且主軸頭9的零位軸線與主軸頭10的軸線成一固定夾角β。
2.根據權利要求1所述的雙刀加工葉片的臥式機床結構，其特征在于所述工件裝夾 機構包括旋轉夾具(8)和尾架(6)，所述旋轉夾具(8)和尾架(6)分別設置于工作臺(2)的 前后兩端。
3.根據權利要求1所述的雙刀加工葉片的臥式機床結構，其特征在于所述刀具運動 機構的驅動機構包括刀具底座(5)、設于刀具底座(5)上的刀具立柱(4)以及設于刀具立柱(4)上能垂直升降的滑架(3)；所述刀具底座( 水平固定于床身(7)的兩側邊，刀具底座(5)的上端面設有沿垂直于Z方向的軌道，所述刀具立柱(4)的下端設有與刀具底座(5)的 軌道相配合的軌道槽，且在刀具立柱(4)與刀具底座( 之間設有驅動刀具立柱(4)沿軌 道滑動的絲杠機構；所述刀具立柱(4)的內側為豎直面，在該豎直面上設有豎直軌道，所述 滑架C3)的側面設有軌道槽，滑架C3)通過軌道槽設置在刀具立柱(4)的豎直軌道上，且滑 架( 與刀具立柱(4)之間設有驅動滑架( 沿豎直軌道滑動的絲杠機構。
4.根據權利要求3所述的雙刀加工葉片的臥式機床結構，其特征在于所述主軸頭 (9/10)固定設于滑架(3)上，且至少有一副主軸頭(9/10)與滑架(3)之間通過擺頭(1)連 接。
5.根據權利要求1、2或3所述的雙刀加工葉片的臥式機床結構，其特征在于所述床 身(3)是一橫截面呈凸字形的結構。
6.根據權利要求2或3所述的雙刀加工葉片的臥式機床結構，其特征在于所述工作 臺(2)前端設有突起的固定架，所述前端的固定架上固定設有一所述旋轉夾具(8)，所述工 作臺( 的上端面后端還軸向設有軌道，所述尾架(6)的底部設有配合工作臺( 軌道的 軌道槽，且所述尾架(6)與工作臺( 之間還設有驅動尾架(6)沿工作臺( 軌道滑動的 絲杠機構；所述尾架(6)與工作臺(2)之間還設有鎖緊機構。
全文摘要
本發明公開了一種雙刀加工葉片的臥式機床結構，包括床身以及工件裝夾機構和刀具運動機構，工件裝夾機構包括工作臺以及設于工作臺前后兩端用以裝夾待加工葉片的可移動尾架和旋轉夾具；工件裝夾機構兩側各設有一套刀具運動機構，刀具運動機構包括主軸頭以及驅動主軸頭在空間運動的驅動機構；工件裝夾機構兩側的兩套刀具運動機構的其中一套的主軸頭通過采用擺頭實現擺動；兩套所述刀具運動機構中刀具端的兩個主軸頭分設于待加工葉片型面兩側，且一個主軸頭的零位軸線與另一個主軸頭的軸線成一固定夾角β。本發明中由于擺頭結構形式的主軸頭擺動范圍最大為±90°，在設計雙刀加工葉片專用機床時，使兩側主軸頭中的一個主軸頭的零位軸線與另一個主軸頭的軸線夾角成一定角度β，可以確定機床的工藝范圍，充分發揮雙刀加工的優勢。
文檔編號B23C9/00GK102069222SQ20101057866
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月8日 優先權日2010年12月8日
發明者位文明, 何仲云, 余常武, 盧秉恒, 董襄陽 申請人:西安交通大學