一种用于薄壁叶片类零件的自由曲面磨削加工装置

技术领域

本发明专利涉及一种用于薄壁叶片类零件的自由曲面磨削加工装置，属于航空航天复杂薄壁类零件加工技术领域。

背景技术

随着航空航天等工业的发展，飞机、航空发动机等高端装备多采用复杂薄壁类零件。该类零件多具有型面结构复杂、壁薄刚性弱、材料难加工等特点，使得加工过程中时变动刚度变化剧烈，导致加工过程中时变动力学特性显著，致使加工零件的加工精度低。为了克服这一问题，当前加工企业多采用保守的加工工艺参数，并且零件（尤其像航空发动机叶片）留有一定加工余量，最后一道工序必须通过磨削加工方式进行余量材料去除，以达到设计精度要求。因此，为了提高具有自由曲面的叶片类等复杂薄壁零件加工质量和加工效率，推动航空航天等工业的飞速发展，亟需研发相应高效的自由曲面磨削加工装置。

针对该问题，提出一种用于薄壁叶片类零件的自由曲面磨削加工装置。该思想来源于已发表发明专利[陈耀龙.一种自由曲面加工装置：中国，CN102001026A]，该专利结构主要包括：工件轴驱动装置、工件轴进给装置、工件轴单元、刀具单元和刀具进给装置。其中工件轴驱动装置固定设置，用于驱动工件轴单元旋转，工件轴驱动装置与工件轴单元之间通过联轴器连接，工件轴进给装置固定设置，用于驱动工件轴单元快速进给，刀具进给装置用于驱动刀具单元慢速径向和轴向位移。

该专利文献所提自由曲面加工装置可以实现多数零件自由曲面的加工，材料去除效率高，一定程度上提高了零件加工效率。但是在加工过程中只能沿着单方向加工，且无法保证加工过程中刀具轴线始终处于被加工自由曲面的法线上，这将导致加工后工件变形过大。基于此，提出了本发明。

发明内容

本发明提供一种用于薄壁叶片类零件的自由曲面磨削加工装置，主要包括主轴运动系统、刀具夹紧系统、工作台运动系统和零件夹持系统。主轴运动系统在运动过程中由电机与同步带结合驱动丝杠转动，进而通过丝杠螺母副传动，实现直线运动，配合导向滑杆最终完成主轴的直线运动；主轴的旋转运动在本次发明中由电机、减速器和齿轮副共同实现。刀具夹紧系统主要包括主轴移动装置、主轴、刀具和刀具夹紧装置，主轴移动装置位于导向滑杆交叉处，主轴位于主轴移动装置内，刀具夹紧装置位于主轴内，刀具位于主轴下端，由刀具夹紧装置夹紧。工作台运动系统在实际工作过程中通过工作台底座两侧的电机与同步带传动，升降板与同步带通过螺钉固定连接，配合实现零件夹持系统两端的自由升降，零件夹持系统中引入万向节装置，同时设有距离传感器和位置补偿装置，实时调整工件位置，在加工过程中，通过控制零件夹持装置两侧的自由升降，配合万向节装置的特性，使得零件上处于加工状态的自由曲面始终与刀具轴线垂直，同时采用电机驱动万向节一端，使得在加工过程中零件也可以旋转。本发明具有高效率、高精度等特点，实现一次装夹即可沿不同方向加工零件自由曲面，且零件上处于加工状态的自由曲面始终与刀具轴线垂直，减小零件加工后变形。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种用于薄壁叶片类零件的自由曲面磨削加工装置，其特征在于：主要包括主轴运动系统、刀具夹紧系统、工作台运动系统和零件夹持系统，主轴运动系统主要位于装置顶部，刀具夹紧系统位于装置顶部主轴移动装置之中，工作台运动系统安装固定于底座之上，零件夹持系统固定于工作台运动系统中两升降板上。

所述主轴运动系统主要由丝杠驱动电机、齿形带、丝杠、丝杠滑台、导向滑杆、主轴移动装置、主轴、主轴驱动电机等组成，丝杠驱动电机通过螺栓连接安装在机架左下方和后下方，丝杠驱动电机与丝杠之间通过齿形带传动，丝杠滑台位于丝杠上，导向滑杆位于相对的丝杠滑台之间，主轴移动装置位于导向滑杆交叉处，主轴位于主轴移动装置之中，主轴驱动电机通过螺钉固定安装于主轴移动装置上表面。

所述刀具夹紧系统主要由主轴移动装置、主轴、刀具和刀具夹紧装置等组成，主轴移动装置位于导向滑杆交叉处，主轴位于主轴移动装置内，刀具夹紧装置位于主轴内，刀具位于主轴下端，由刀具夹紧装置夹紧。

所述工作台运动系统由工作台底座、升降电机、同步带、同步带轮、工作台立柱、工作台升降杆、工作台升降杆固定块和升降板组成，工作台底座固定在底座上，升降电机固定在工作台底座左右两侧，同步带轮位于升降电机输出轴上，工作台立柱通过滑槽固定连接在工作台底座上，工作台立柱顶部设有通孔，工作台升降杆固定块上设有一个螺纹孔和一个通孔，螺栓通过工作台升降杆固定块与工作台立柱的通孔与螺母配合连接，工作台升降杆两端设有螺纹，与工作台升降杆固定块的螺纹孔固定连接，同步带轮位于工作台升降杆中间，升降电机与工作台升降杆通过同步带连接，升降板位于在左右两侧的工作台立柱之间，升降板上设有方形套和轴承座，方形套上设有螺纹通孔，螺钉通过升降板方形套上的螺纹孔将升降板与同步带固定连接。

所述零件夹持系统左右两侧结构基本对称，主要由电机、左侧万向节装置、右侧万向节装置、轴承、万向节稳定装置、位置补偿装置、三爪卡盘夹紧装置和距离传感器等组成，电机通过螺栓连接安装在右侧升降板上，轴承与左、右侧万向节装置分别安装固定在左、右升降板上的轴承座内，万向节稳定装置位于左侧万向节装置左端，左、右侧万向节装置分别与一个三爪卡盘夹紧装置通过位置补偿装置连接，距离传感器位于两三爪卡盘夹紧装置相对的表面上。

采用上述技术方案，能够实现高效率、高精度的工作，实现一次装夹即可沿零件不同方向进行自由曲面的磨削加工，且零件上处于被加工状态的自由曲面始终与刀具轴线垂直。

综上所述，本发明带来的有益效果：一是在主轴的平面运动中采用齿形带和丝杠螺母副进行传动，提高了主轴运动的位置精度，二是在工零件夹持系统引入了万向节结构，使得零件在加工过程中可以旋转，实现一次装夹可以加工不同方向的自由曲面，三是工作台运动系统中利用万向节装置特性，在加工过程中实时调整零件两端的高度，使刀具轴线在零件加工过程中始终处于被加工自由曲面的法线上，减小零件加工后变形。

附图说明

图1本发明整体结构正面轴测图；

图2本发明整体结构背面轴测图；

图3本发明工作台结构轴测图；

图4本发明工作台结构俯视图；

图5本发明工作台结构A-A面剖视图。

图中：1-机架，2-底座，3-立柱，4-齿形带，5-丝杠滑台，6-丝杠从动轮，7-丝杠，8-丝杠，9-丝杠滑台，10-导向滑杆，11-立柱，12-导向滑杆，13-主轴驱动齿轮，14-主轴驱动齿轮，15-主轴从动齿轮，16-主轴驱动齿轮，17-立柱，18-丝杠，19-丝杠滑台，20-立柱，21-导向滑杆，22-主轴驱动齿轮，23-导向滑杆，24-主轴移动装置，25-丝杠，26-丝杠从动轮，27-丝杠从动轮，28-丝杠滑台，29-齿形带，30-丝杠驱动电机，31-丝杠驱动轮，32-螺栓，33-螺栓，34-齿形带，35-丝杠驱动轮，36-丝杠驱动电机，37-齿形带，38-丝杠从动轮，39-工作台底座，40-工作台立柱，41-工作台升降杆固定块，42-工作台升降杆，43-工作台升降从动轮，44-工作台升降杆固定块，45-工作台立柱，46-螺母，47-工作台立柱，48-工作台升降杆固定块，49-螺杆，50-同步带，51-升降板，52-万向节从动轮，53-万向节驱动电机，54-万向节驱动轮，55-螺钉，56-工作台升降电机，57-工作台立柱，58-螺母，59-螺杆，60-工作台升降电机，61-升降板，62-螺钉，63-万向节一段，64-螺杆，65-万向节连接，66-万向节二段，67-距离补偿装置，68-销，69-三爪卡盘，70-待加工零件，71-三爪卡盘，72-距离传感器，73-螺母，74-工作台升降杆，75-万向节一段，76-螺钉，77-工作台升降杆固定块，78-螺杆，79-螺母，80-同步带，81-螺钉，82-螺钉，83-万向节稳定装置，84-三爪卡盘夹紧螺母，85-三爪卡盘夹紧块，86-三爪卡盘夹紧块，87-销，88-距离补偿装置，89-工作台升降从动轮，90-万向节二段，91-螺钉，92-螺钉，93-工作台升降驱动轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种用于薄壁叶片类零件的自由曲面磨削加工装置，主要可以分为主轴运动系统、刀具夹紧系统、工作台运动系统和零件夹持系统，以下实例参照图1至图5。

本发明装置整体结构如图1至图2所示：机架1为本装置的整体支撑装置，保证本发明装置在工作过程中的稳定性，间接地保证工作精度，底座2放置在机架1上，底座2的上表面为工作台部分的安装位置，在底座2的四角安装固定有立柱3、立柱11、立柱17和立柱20，在立柱3和立柱11之间顶部安装丝杠8，在立柱3和立柱20之间的顶部安装丝杠7，在立柱11和立柱17之间顶部安装丝杠25，在立柱17和立柱20之间顶部安装丝杠18，在图1中丝杠7的左端安装丝杠从动轮6，在丝杠7之上安装丝杠滑台5，在丝杠8的后端安装丝杠从动轮27，在丝杠8之上安装丝杠滑台9，在丝杠18的后端安装丝杠从动轮38，在丝杠18之上安装丝杠滑台19，在图2中丝杠25右端安装丝杠从动轮26，在丝杠25之上安装丝杠滑台28，在图1中丝杠滑台9和丝杠滑台19之间安装固定导向滑杆10和导向滑杆12，在图1中丝杠滑台5和图2中丝杠滑台28之间安装固定导向滑杆21和导向滑杆23，在导向滑杆10、导向滑杆12与导向滑杆21、导向滑杆23的交叉处安装有主轴移动装置24，在主轴移动装置24顶部安装固定4个主轴驱动电机，主轴驱动电机上分别安装主轴驱动齿轮13、主轴驱动齿轮14、主轴驱动齿轮16、主轴驱动齿轮22，在主轴上安装主轴从动齿轮15，由主轴驱动电机通过齿轮传动带动主轴进行旋转，在图2中机架1右侧安装丝杠驱动电机30，通过螺栓32将丝杠驱动电机30固定安装在机架1上，在图2中机架1正面安装丝杠驱动电机36，通过螺栓33将丝杠驱动电机36安装固定在机架1上，在丝杠驱动电机30上安装丝杠驱动轮31，在丝杠驱动电机36上安装丝杠驱动轮35，在丝杠驱动轮31和丝杠从动轮6之间通过齿形带4连接，在丝杠驱动轮31和丝杠从动轮26之间通过齿形带29连接，在丝杠驱动轮35与丝杠从动轮27之间通过齿形带34连接，在丝杠驱动轮35与丝杠从动轮38之间通过齿形带37连接。

在加工过程中，由丝杠驱动电机30提供动力，通过丝杠驱动轮31、齿形带4、丝杠从动轮6带动丝杠7转动，通过丝杠驱动轮31、齿形带29、丝杠从动轮26带动丝杠25转动，由丝杠驱动电机36提供动力，通过丝杠驱动轮35、齿形带34、丝杠从动轮27带动丝杠8转动，通过丝杠驱动轮35、齿形带37、丝杠从动轮38带动丝杠18转动，通过丝杠转动，安装在丝杠7上的丝杠滑台5和安装在丝杠25上的丝杠滑台28带动丝杠滑台之间的导向滑杆21和导向滑杆23作直线运动，进而带动主轴移动装置24左右移动，安装在丝杠8上的丝杠滑台9和安装在丝杠18上的丝杠滑台19带动丝杠滑台之间的导向滑杆10和导向滑杆12作直线运动，进而带动主轴移动装置24前后运动，通过对电机的运行控制即可实现主轴在一个平面内的自由移动，在主轴移动装置24顶部安装固定4个主轴驱动电机，主轴驱动电机上分别安装主轴驱动齿轮13，主轴驱动齿轮14，主轴驱动齿轮16，主轴驱动齿轮22，在主轴上安装主轴从动齿轮15，由主轴驱动电机通过齿轮传动带动主轴进行旋转。主轴运动系统可分为以上两个直线运动和一个转动。

本发明装置工作台结构如图3至图5所示：工作台底座39安装在底座2上，工作台立柱40、工作台立柱45、工作台立柱47、工作台立柱57安装固定在工作台底座39上，升降板61安装在工作台立柱40和工作台立柱45之间，升降板51安装在工作台立柱47和工作台立柱57之间，工作台升降杆固定块41通过螺杆59、螺母58安装固定在工作台立柱40顶端，工作台升降杆固定块44通过螺杆64、螺母46安装固定在工作台立柱45顶端，工作台升降杆固定块48通过螺杆49、螺母73安装固定在工作台立柱47顶端，工作台升降杆固定块77通过螺杆78、螺母79安装固定在工作台立柱57顶端，工作台升降杆42安装在工作台升降杆固定块41和工作台升降杆固定块44之间，工作台升降杆74安装在工作台升降杆固定块48和工作台升降杆固定块77之间，工作台升降从动轮43安装在工作台升降杆42中间位置，工作台升降从动轮89安装在工作台升降杆74中间位置，工作台升降电机56通过螺钉55固定安装在工作台底座39上，工作台升降电机60通过螺钉安装固定在工作台底座39上，工作台升降驱动轮93安装在工作台升降电机56上，工作台升降电机60上安装工作台升降驱动轮，同步带80连接工作台升降电机60上的工作台升降驱动轮和工作台升降从动轮43，同步带50连接工作台升降驱动轮93和工作台升降从动轮89，升降板61与同步带80通过螺钉62、螺钉81和螺钉82固定连接，升降板51与同步带50通过螺钉91和螺钉92固定连接，万向节一段63安装在升降板61上，万向节稳定装置83安装在万向节一段63左端，万向节二段66通过万向节连接65与万向节一段63连接，距离补偿装置67一端与万向节二段66连接，一端与三爪卡盘69通过销68连接，三爪卡盘夹紧块85安装在三爪卡盘69之中，三爪卡盘夹紧螺母84安装在三爪卡盘69之中，万向节一段75安装在升降板51上，万向节从动轮52安装在万向节75一段右端，万向节驱动电机53通过螺钉76安装在升降板51上，万向节驱动轮54安装在万向节驱动电机53上，万向节二段90通过万向节连接与万向节一段75连接，距离补偿装置88一端与万向节二段90连接，一端与三爪卡盘71通过销87连接，三爪卡盘夹紧块86安装在三爪卡盘71内，在三爪卡盘71上安装有距离传感器72，待加工零件70装夹在三爪卡盘69与三爪卡盘71之间。

在加工过程中，由工作台升降电机60提供动力，电机输出轴上安装的工作台升降驱动轮、同步带80、工作台升降从动轮43，使通过螺钉62、螺钉81和螺钉82固定连接在同步带80上的升降板61做上下运动，进而带动万向节一段63、万向节二段66和三爪卡盘68上下运动，由工作台升降电机56提供动力，电机上安装的工作台升降驱动轮93、同步带50、工作台升降从动轮89，使通过螺钉91、螺钉92固定连接在同步带50上的升降板51做上下运动，进而带动万向节一段75、万向节二段90和三爪卡盘71上下运动，最终使得待加工零件70在加工过程中上下移动，由万向节驱动电机53、万向节驱动轮54、万向节从动轮52带动万向节一段75、万向节二段90、三爪卡盘71旋转，进而带动待加工零件70在加工过程中进行旋转，在升降板61和升降板51上下运动的过程中，三爪卡盘69与三爪卡盘71之间的距离会发生变化，因此在三爪卡盘71上安装距离传感器72监测三爪卡盘69与三爪卡盘71之间的距离，当三爪卡盘69与三爪卡盘71之间的距离发生变化时，由距离补偿装置67、距离补偿装置88运动，保证三爪卡盘69与三爪卡盘71之间的距离不变。

该发明装置的创新性主要包括如下几个方面：一是在主轴的平面运动中采用丝杠螺母副进行传动，提高了主轴运动的位置精度，二是在工零件夹持系统引入了万向节结构，使得零件在加工过程中可以旋转，实现一次装夹可以加工不同方向的自由曲面，工作台运动系统中利用万向节装置特性，在加工过程中实时调整零件两端的高度，使刀具轴线在零件加工过程中始终处于被加工自由曲面的法线上，减小零件加工后变形。