葉片雙面同步高效磨拋機床的制作方法

專利名稱：葉片雙面同步高效磨拋機床的制作方法
技術領域：
本發明屬于機械制造領域。
背景技術：
葉片是汽輪機、水輪機、航空發動機、航天推進系統、高速艦 船推進系統的典型關鍵零件。以汽輪機為例，汽輪機中葉片數目往往 多達幾千片， 一方面葉片的結構設計十分復雜，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境下，任何設計和制造中 的缺陷都可能導致工作效率降低，甚至整個機組的損壞，帶來重大經 濟損失。葉片型面的設計、制造水平和制造質量直接影響透平機械的 性能、效率和可靠性。
近十幾年來，隨著計算機技術和現代控制理論等相關技術的迅 猛發展，以多軸聯動數控加工為代表的柔性加工技術和設備日趨完 善。多軸聯動數控加工技術已經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系列五軸五聯動葉片型面加工機床、瑞士Starrag Heckert公司的 BX 151 Win—Win五軸加工中心、意大利C.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、小型葉片加工技術的最 高水平。隨著我國數控機床研發水平的不斷提高，近幾年來，我國機 床制造企業和高等院校合作在葉片加工設備方面初步形成了自主研 發能力，并為發電設備制造企業提供了我們國產的葉片加工設備。齊二機床集團有限公司與清華大學合作研制出了世界上首臺大型龍門
式五軸混聯機床(XNZ2430),該機床非常適合飛機螺旋槳、大型水 輪機葉片等復雜曲面的加工。武漢重型機床集團有限公司與華中科技 大學國家數控系統工程技術研究中心、鎮江船舶螺旋槳廠產學研相結 合在國家"863"計劃支持下合作開發成功CKX5680數控重型七軸五聯
動車銑復合加工機床，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的XKH系列五軸聯動葉片加工中心采用X、Y、 Z軸移動加A、 B軸轉動的合成運動方式，通過使葉片繞A軸的連續回 轉運動實現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 具刃具集團有限責任公司與哈爾濱工業大學聯合研制七軸聯動并串 聯機床，該機床主體為6 — TPS型六軸并聯機床，通過在工作臺上串 聯一個數控轉臺實現七軸聯動，用于加工中小型的動葉片和導葉片。 北京航空航天大學突破了傳統的利用球頭銑刀加工復雜曲面的模式， 采用圓環面刀具(以圓環面為有效工作表面的刀具，如圓環面銑刀、 圓環面砂輪等)，以圓環面刀具與葉片表面之間的線接觸代替球頭銑 刀的點接觸加工復雜曲面，并與陜西秦川機械發展股份有限公司合作 研發了QMK001型五坐標葉片加工機床，實現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量直接影響整機的性能。目前采 用多軸聯動數控機床加工葉片型面是一種主流趨勢，銑削加工后葉片 表面呈現留有刀痕的扇貝面。為了保證葉片型面的表面質量，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，工作環境惡劣，產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，而熟練工人的生產技藝需要長時間的實踐摸索和積累才能形成， 由于生產規模的不斷擴大，必然會面臨熟練工人短缺的問題。制造業 正在逐漸由勞動密集型產業向技術密集型產業轉變，采用自動化磨拋 技術，提高葉片磨拋的效率和表面質量成為迫切需要解決的問題。
國內外學者普遍采用砂帶作為磨拋工具，開展葉片復雜曲面磨 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 工的六軸數控砂帶磨床(型號MTS — 600/CNC-6， MTS — 800/CNC-6 等)，該機床在傳統的X、 Y、 Z和A、 B、 C軸的基礎上還增加了一個 壓力軸N，編程時需給N軸設定壓力的經驗值。意大利C.B.Ferrari公司 近期開發了MY13型五軸高速葉片磨床，機床構型為五軸聯動葉片加 工設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 回轉，配以X、 Y、 Z和B軸的合成運動實現葉片磨拋加工。
我國從上個世紀90年代開始研究葉片數控砂帶磨拋工藝，取得 了一些重要的研究成果，并逐步在葉片加工企業得到應用。西南科技 大學針對我國航空發動機鈦合金葉片強化拋光的現狀，在國外己有的 用于振動強化拋光的二維機械激振振動臺的基礎上，提出了三維電磁 激振強化拋光振動臺的設計思想，通過理論建模、動力學分析計算研 發了無導軌支承的三維振動強化拋光設備，將鈦合金葉片浸沒在拋光 液中，利用共振實現葉片的強化拋光加工。江南大學針對Metabo公司 六軸數控砂帶磨床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環境下開發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關系，利用UG/OPEN API編程工具開發了 UG環境下的葉片砂帶磨削刀位數據計算和加工仿真模塊。廊坊智通 機器人系統有限公司以ABB工業機器人為平臺開發了由工業機器人、 砂帶磨拋機和激光掃描儀組成的葉片磨拋系統。對于中小型葉片采用 工業機器人夾持葉片的加工方式，通過工業機器人完成葉片和固定的 磨拋砂帶之間復雜的空間運動實現葉片磨拋；對于大型葉片，則采用 工業機器人夾持磨拋工具的加工方式，通過工業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，現有葉片加工設備普遍采用單一工具頭，對 葉片雙側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 單側型面進行加工。另一方面，葉片形狀近年來出現了彎、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切削力過大， 必然會產生較大的變形，而且還有可能產生顫振，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采用輔助支撐。 發明內容本發明提供一種具有兩個磨拋工具系統，可以同時對葉片雙側型 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。本發明采取的技術方案包括床身、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、兩個成對稱布置的z向垂 直向移動機構、兩個成對稱布置的X向移動機構、Y向移動機構、翻 轉夾具、回轉工作臺，其特征在于Y向移動機構和兩個X向移動機構 固定在床身上，兩個X向移動機構同軸且與Y向移動機構成對稱水平垂直分布；兩個砂帶變輪系磨拋工具系統分別與兩個Z向移動機構相 連；兩個Z向移動機構分別與兩個立柱相連；兩個立柱分別與兩個X向移動機構相連；翻轉夾具安裝在回轉工作臺上，翻轉夾具可以實現 葉片的裝夾和葉片繞翻轉夾具中心軸B軸的轉動；回轉工作臺與Y向 移動機構相連，回轉工作臺提供繞其中心軸C軸的轉動。所說的砂帶變輪系磨拋工具系統包括砂帶、工具板、安裝在工具 板上的兩個張緊輪、 一個驅動輪和換輪機構；所說的換輪機構包括十 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 其中心軸轉動，在十字滑道內滑動的四個滑動桿的末端分別裝有不同 直徑接觸輪。所說的換輪機構可以根據葉片曲率半徑變化通過滑動桿將現有 接觸輪收回，十字滑道繞其中心軸轉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向移動機構包括X向驅動電機、X向絲杠/螺母副、X向滑 塊/滑道副。X向驅動電機與X向絲杠/螺母副相連，X向絲杠/螺母副與 X向滑塊相連，X向滑塊沿X向滑道運動。所說的Y向移動機構包括Y向驅動電機、Y向絲杠/螺母副、Y向滑 塊/滑道副。Y向驅動電機與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向移動機構包括Z向驅動電機、Z向絲杠/螺母副、Z向滑 塊/滑道副。Z向驅動電機與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、兩個X向移動機構、Y向移動機構、翻 轉夾具、回轉工作臺在運動控制上實行聯動控制，實現對葉片雙側型面進行同步磨拋加工。本發明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轉動軸構成。Y軸方向為葉片的縱向，采用 相對于葉片縱向對稱布置的雙Z軸結構，每個Z軸上安裝一套磨拋工 具系統。通過B軸和C軸的轉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，同時保證葉片 的雙側型面(內弧面和背弧面)始終處于左右的位置關系，分別與兩 個磨拋工具系統相對應。磨拋砂帶在XZ面內沿生成的磨拋軌跡運動， 通過Y軸的移動實現葉片整個型面的雙側同步磨拋加工。 本發明優點(1) 本發明打破了傳統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。將傳統的 葉片加工過程中單工具頭與葉片單側型面(內弧面或背弧面)處于上 下的位置關系，改為采用兩個磨拋工具系統相對于葉片型面左右對稱 布置，同時對葉片雙側型面同步磨拋加工，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。(2) 本發明采用砂帶作為磨拋工具，采用變輪系工具系統根據 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 葉片復雜曲面的適應性。


圖l是本發明總體結構示意圖。圖2是本發明的砂帶變輪系磨拋工具系統結構示意圖。
具體實施方式
Y向移動機構和兩個X向移動機構固定在床身1上，兩個X向移動機構同軸且與Y向移動機構成對稱水平垂直分布；兩個砂帶變輪系磨 拋工具系統9分別與兩個Z向移動機構相連；該兩個Z向移動機構分別 與兩個立柱14相連；兩個立柱分別與兩個X向移動機構相連；翻轉夾 具10安裝在回轉工作臺16上，該翻轉夾具可以實現葉片的裝夾和葉片 繞翻轉夾具中心軸B軸的轉動；回轉工作臺與Y向移動機構相連，回轉工作臺提供繞其中心軸c軸的轉動。下面結合附圖對本發明作進一步詳述。本發明總體結構如圖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轉動軸構成。Y軸方向為葉片的縱向，采用相對 于葉片縱向對稱布置的雙Z軸結構，每個Z軸上安裝一套砂帶變輪系 磨拋工具系統。兩個Z向即垂直向驅動電機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9分別對稱固定在兩個Z向滑塊11上。Z向驅動電機13 通過Z向絲杠/螺母副12使Z向滑塊11沿Z向滑道15運動，實現砂帶變輪 系磨拋工具系統9的Z向運動。兩個X向驅動電機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，實現砂帶變輪系磨拋工具系統9的X向運動。翻轉夾具10實現葉片的裝夾與葉片繞夾具中心軸B軸的轉動。翻轉夾具10安裝在回轉工作臺16上，回轉工作臺16實現葉片繞回轉工作 臺中心軸C軸的轉動。Y向驅動電機17、 Y向絲杠/螺母副2、 Y向滑道3固定在床身l上。 Y向驅動電機17與Y向絲杠/螺母副2相連，Y向絲杠/螺母副2與Y向滑 塊4相連。回轉工作臺16固定在Y向滑塊4上。Y向驅動電機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，實現葉片的Y向運動。砂帶變輪系磨拋工具系統9的結構如圖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， 一個驅動輪906和換 輪機構；換輪機構包括十字滑道903、在十字滑道903內滑動的與滑動 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。 換輪機構可以根據葉片曲率半徑變化通過滑動桿908將現有接觸輪 901收回，十字滑道903繞其中心軸907轉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，同時保證葉片的雙 側型面(內弧面和背弧面)始終處于左右的位置關系，分別與兩個磨 拋工具系統相對應。磨拋砂帶在XZ面內沿生成的磨拋軌跡運動，通 過Y軸的移動實現葉片整個型面的雙側同步磨拋加工。
權利要求
1、一種葉片雙面同步高效磨拋機床，其特征在于Y向移動機構和兩個X向移動機構固定在床身上，兩個X向移動機構同軸且與Y向移動機構成對稱水平垂直分布；兩個砂帶變輪系磨拋工具系統分別與兩個Z向移動機構相連；該兩個Z向移動機構分別與兩個立柱相連；兩個立柱分別與兩個X向移動機構相連；翻轉夾具安裝在回轉工作臺上，該翻轉夾具可以實現葉片的裝夾和葉片繞翻轉夾具中心軸B軸的轉動；回轉工作臺與Y向移動機構相連，回轉工作臺提供繞其中心軸C軸的轉動。
2、 根據權利要求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包括砂帶、工具板、安裝在工具板上的兩 個張緊輪、 一個驅動輪和換輪機構；所說的換輪機構包括十字滑道、 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 轉動，在十字滑道內滑動的四個滑動桿的末端分別裝有不同直徑接觸 輪。
3、 根據權利要求l所述的葉片雙面同步高效磨拋機床，其特征在 于X向移動機構包括X向驅動電機與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、 根據權利要求l所述的葉片雙面同步高效磨拋機床，其特征在 于Y向移動機構包括Y向驅動電機與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、 根據權利要求l所述的葉片雙面同步高效磨拋機床，其特征在 于Z向移動機構包括Z向驅動電機與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。
全文摘要
本發明涉及一種葉片雙面同步高效磨拋機床，屬于機械制造領域。Y向移動機構和兩個X向移動機構固定在床身上，兩個X向移動機構同軸且與Y向移動機構成對稱水平垂直分布；兩個砂帶變輪系磨拋工具系統分別與兩個Z向移動機構相連；該兩個Z向移動機構分別與兩個立柱相連；兩個立柱分別與兩個X向移動機構相連；翻轉夾具安裝在回轉工作臺上，該翻轉夾具可以實現葉片的裝夾和葉片繞翻轉夾具中心軸B軸的轉動；回轉工作臺與Y向移動機構相連，回轉工作臺提供繞其中心軸C軸的轉動。優點在于對葉片雙側型面同步磨拋加工，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B24B19/14GK101244531SQ20081005054
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月26日 優先權日2008年3月26日
發明者雷 張, 昕 王, 繼 趙 申請人:吉林大學