一種五軸聯動臥式加工中心工具機的製作方法

2023-07-02 22:44:26

專利名稱：一種五軸聯動臥式加工中心工具機的製作方法
技術領域：
本發明涉及機械製造設備，即一種用於鈦合金等難加工材料複雜型面航空結構件 高效、高精度加工的五軸聯動臥式加工中心工具機。
背景技術：
近年來，隨著航空航天行業的迅速發展，市場上對飛機的需求量越來越大，對現代 飛機的性能要求也越來越高，鈦合金以比其強度高、機械性能好和耐腐蝕性能強等特點在 現代飛機上的應用越來越廣泛，尤其在高性能戰鬥機中，鈦合金所佔的比例已超過40 %。鈦 合金屬於難加工材料，在實際加工中存在切削力大，導熱率低，摩擦力大，易形成表面硬層 等問題。同時，現代航空結構件多採用整體毛坯加工方式，零件去除率大，結構複雜，多薄 壁、空穴、溝槽，且對零件的尺寸精度和表面質量要求越來越高。隨著鈦合金在現代飛機上 所佔比重的不斷增加，鈦合金航空結構件的數控加工質量和加工效率對航空製造企業的影 響也越來越大。目前在鈦合金航空結構件加工方面，傳統加工方法採用低速、大扭矩工具機， 低轉速、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構件中的大量應用， 鈦合金航空結構件的加工效率問題將成為制約現代飛機研製、生產的瓶頸。因此，如何實現 鈦合金航空結構件的高效、高精度加工成為國內、外航空製造企業的一項難題。鈦合金航空結構件加工工具機多為五軸聯動數控工具機，而能滿足此要求的國產五軸 聯動數控工具機極為鮮見，且主要為立式五軸加工中心工具機，加工效率較低。採用臥式五軸 加工中心加工航空結構件比採用立式五軸加工中心排屑方便、迅速，有利於提高航空結構 件的加工質量；對某些板類航空結構件，可實現在一臺工具機上通過一次裝夾，完成多個工件 的加工，提高工件的加工效率；配置交換工作檯可實現多工位加工並組建柔性生產線，提高 設備利用率。因此臥式五軸加工中心更適合鈦合金航空結構件的高效、高精度加工。目前 國內還沒有廠家生產用於加工鈦合金航空結構件的臥式五軸加工中心，用戶只能從國外進 口，價格非常昂貴，供貨期長，且購買經常受到限制。因此，開發此類工具機對國內工具機製造企 業來說已經迫在眉睫。臥式五軸加工中心根據其兩個旋轉軸的布置方式可以分為3種基本結構一為兩 個旋轉軸都在主軸端的雙擺頭臥式五軸加工中心，此結構為滿足鈦合金加工對大切削力、 大扭矩的需求，擺頭的結構尺寸一般設計得比較大，結構也比較複雜，導致擺頭和主軸懸伸 長，剛性差，主軸臥式加工時問題尤其突出；二為兩個旋轉軸都在工作檯端的雙擺臺臥式五 軸加工中心，此結構的優點是主軸結構比較簡單，主軸剛性非常好，但一般工作檯不能設計 得太大，承重也較小，否則擺動負載較大，動態性能大大降低，特別是當A軸(轉臺擺動軸) 擺動大於90°時，切削工件時會對工作檯產生很大的承載力矩；三為主軸端和工作檯端各 布置一個旋轉軸的單擺頭配迴轉工作檯結構的臥式五軸加工中心，此結構的優、缺點為前 兩種結構優、缺點的折衷，適合於同時要求高剛性和高動態性能的中、大型零件的加工，而 鈦合金航空結構件多為中、大型零件，且要求高剛性、大扭矩加工和高效加工，特別適合採 用第三種結構的五軸聯動臥式加工中心。

發明內容
本發明的目的是提供一種五軸聯動臥式加工中心工具機，滿足國內航空航天行業對 鈦合金航空結構件高效、高精度加工設備的需求。五軸聯動臥式加工中心工具機，其床身包括橫床身1和縱床身2，其特徵在於橫、縱 床身呈T型布置，迴轉工作檯在橫床身上左右運動為X軸運動，立柱在縱床身上前後運動為 Z軸運動，擺頭帶動主軸在立柱上上下運動為Y軸運動，主軸繞X軸軸線擺動為A軸運動，回 轉工作檯繞Y軸軸線轉動為B軸運動，X軸、Y軸、Z軸、A軸和B軸可實現五軸聯動加工；機 床A軸(單擺頭)具有大擺角範圍-120° +95°，橫床身前方配有雙交換工作檯、縱床身 右側設置刀庫及換刀機械手，工具機還設置刀具測量和工件測量裝置，進行刀具斷裂檢測、刀 具尺寸測量和工件加工尺寸的自動在線檢測；移動立柱為正面和側面雙向變截面結構。本發明的五軸聯動臥式加工中心與立式五軸加工中心加工鈦合金航空結構件相 比，排屑方便、迅速，減少了切屑在工件上停留的時間，從而減小了切屑給工件帶來的熱變 形，有利於提高工件的加工精度；對於某些板類、框類航空結構件，可分別裝夾在固定在機 床工作檯上的方形夾具的4個立面上，在一臺工具機上通過一次裝夾，可完成最多4個工件 的加工，從而大大提高了工件的加工效率；該工具機配置交換工作檯可實現多工位加工並組 建柔性生產線，以提高設備利用率。該工具機與雙擺頭及雙擺臺結構的臥式五軸加工中心機 床相比，兼具足夠的主軸剛性和較高的動態性能，更適合對中、大型鈦合金航空結構件的高 效、高精度加工。工具機A軸(單擺頭)具有215°大擺角範圍(-120° +95° )，可實現較 大的加工範圍，具有較高的加工柔性，可滿足對大範圍的具有各種形狀複雜曲面零件的加 工。工具機移動立柱採用優化的雙向變截面結構，以最大限度地降低其重心，減輕其重量，提 高其剛度質量比，從而提高其運動速度、加速度和動態性能，實現高效加工。


圖1為本發明工具機的立體結構示意圖。圖2為本發明工具機A軸擺角範圍示意圖。圖3為本發明工具機移動立柱的立體結構示意圖。圖4為本發明工具機移動立柱外形結構的正視圖。圖5為本發明工具機移動立柱外形結構的側視圖。
具體實施例方式本發明的五軸聯動臥式加工中心工具機，立體結構如圖1所示，橫床身1與縱床身2 通過螺釘連接在一起，呈T字型結構布置。對稱布置在橫床身1上的兩個X軸驅動伺服電 機19和20通過滾珠絲槓21和22驅動工作檯滑座3，帶動工作檯滑座3上設置的工作檯 迴轉座4和工作檯5在橫床身1上左右運動，為X軸運動。立柱6的底部與平行的滾珠絲 槓25和沈垂直安置，對稱布置在縱床身2上的兩個Z軸驅動伺服電機23和M通過滾珠 絲槓25和沈驅動立柱6在縱床身2上前後運動，為Z軸運動。布置在立柱6前立面滾珠 絲槓洲上的擺頭座7由Y軸驅動伺服電機27驅動在立柱上上下運動，為Y軸運動；擺頭座 7上的A軸驅動伺服電機四驅動主軸箱8，帶動主軸9在擺頭座7內繞X軸軸線擺動，為A軸運動。B軸驅動伺服電機30驅動工作檯迴轉座4，帶動工作檯5在工作檯滑座3內繞Y 軸軸線轉動，為B軸運動。工具機縱床身2右側面配置刀庫10，刀庫10與主軸9之間配置換刀機械手臂11，其 從主軸9中拔出使用過的刀具，並插入新刀具，實現刀具的自動交換。工具機橫床身1前方配置雙交換工作檯左交換工作檯12和右交換工作檯13，左交 換工作檯12(或右交換工作檯13)將持有已加工完畢的工件的工作檯從加工區(工作檯回 轉座4上)拉到左交換工作檯12 (或右交換工作檯1 上，右交換工作檯13 (或左交換工 作臺12)將持有待加工工件的工作檯從右交換工作檯13 (或左交換工作檯12)上推到加工 區(工作檯迴轉座4上)，實現工作檯和工件的自動交換，以縮短加工輔助時間，提高工件的 加工效率。在工具機橫床身1上左右對稱配置分體式雷射刀具測量裝置14、15，可實現對工具機 刀具長度和直徑尺寸的測量，並將測量值自動記入工具機刀具數據表中，為刀具尺寸參數補 償提供數據；該裝置還可用於刀具破損檢測，在刀具破損時報警停機，降低工件的報廢率。工具機配有工件測量裝置，工件加工完成後，由換刀機械手臂11從刀庫10中取出工 件測頭16，並將其插入主軸9中，由主軸9帶動工件測頭16，對工件進行在線尺寸測量。這 樣，通過一次裝夾即可完成工件的加工和檢測，提高了零件的製造效率。圖2為本發明工具機A軸擺角範圍示意圖，主軸以水平狀態為零點，可繞X軸軸線向 下擺動120°，向上擺動95°，即工具機A軸具有215°大擺角範圍，以實現較大的加工範圍和 較高的柔性，用以滿足對大範圍的各種複雜曲面零件的加工要求。圖3所示的雙向變截面立柱，在立柱設計過程中，通過有限元分析軟體對其靜態 性能和動態性能進行反覆地有限元分析，並針對分析結果，找出結構的薄弱環節，進行修 改，最終獲得的立柱外形和結構既具有足夠的靜剛度，又具有儘可能輕的重量和低的重心， 以獲得較高的動態性能。最終得到的立柱6的形狀優化為「上窄下寬」雙向變截面結構，一 是從正面方向看，立柱正面內邊緣是平行直邊，安置導軌，正面左右外邊緣為對稱的上窄下 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， 立柱下部右側輪廓斜面與立柱右側垂直面之間的夾角值為10°，其從截面0-0與立柱上部 右側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垂直面相交為止；二是從 側面方向看，見圖5中側面立柱的右側即圖4中立柱的後側，立柱左側邊緣即是安裝導軌的 正面，是垂直於上、下端的，立柱的後側邊緣的大部為由窄到寬漸變線，立柱6後側頂部寬 度d5與底部寬度d6之間的比值約為0. 7，從立柱後側頂端開始沿斜面向下延伸，直至與立 柱下部後側垂直面相交為止，立柱後側的輪廓斜面與同側垂直面之間的夾角值為5°。立柱 下部後側垂直面交點低於立柱正面的截面0-0點。
權利要求
1.一種五軸聯動臥式加工中心工具機，其床身包括橫床身(1)和縱床身O)，其特徵在 於橫床身(1)與縱床身(2)呈T型布置，安置Y軸的立柱(6)置於對稱布置在縱床身(2) 的兩Z軸導軌上，由縱床身( 上的兩個Z軸驅動伺服電機(23、24)分別通過滾珠絲槓05、 26)驅動，為Z軸運動；安置在橫床身(1)上的工作檯滑座(3)，由橫床身(1)上的兩個X軸 驅動伺服電機(19、20)分別通過對稱布置的滾珠絲槓(21、2幻驅動，在橫床身(1)上左右 運動，為X軸運動；布置在立柱(6)上的擺頭座(7)由Y軸驅動伺服電機07)通過滾珠絲槓 (28)驅動，在立柱上上下移動，為Y軸運動；內裝主軸(9)的主軸箱(8)設置在擺頭座(7) 的中部，由A軸驅動伺服電機09)驅動，繞X軸軸線擺動，為A軸運動；工作檯迴轉座(4) 由B軸驅動伺服電機(30)驅動，帶動其上的工作檯(5)繞Y軸軸線轉動，為B軸運動；工作 臺迴轉座(4)在工作檯滑座C3)之上隨之沿X軸運動；橫床身1前方設有交換工作檯(12、 13)，實現兩個工作檯的自動交換；縱床身(2)側面設有刀庫(10)和換刀機械手臂(11)，實 現刀具的自動交換；橫床身(1)上設有刀具測量裝置(14、15)，用來進行刀具斷裂檢測及刀 具尺寸的精確測量，為刀具尺寸參數補償提供數據；橫床身(1)兩側對稱布置兩臺鏈式排 屑器(17、18)；工具機移動立柱(6)為雙向變截面結構。
2.根據權利要求1所述的五軸聯動臥式加工中心工具機，其特徵在於主軸以水平狀態為 零點，可繞X軸軸線向下擺動120°，向上擺動95°，即工具機A軸具有215°的大擺角範圍。
3.根據權利要求1所述的五軸聯動臥式加工中心工具機，其特徵在於工具機移動立柱(6) 的雙向變截面結構外形正面方向左右外邊緣對稱上窄下寬、側面方向的後側邊緣從上至 下部的大部為由窄到寬漸變線，與正面漸變線重合後的下部等寬至底邊。
4.根據權利要求3所述的五軸聯動臥式加工中心工具機，其特徵在於工具機移動立柱(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 輪廓側與立柱對稱內側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垂直面相交為止；立柱下部右側輪 廓斜面與立柱右側垂直面之間的夾角值為10°，其從截面0-0與立柱上部右側垂直面的交 線處開始沿斜面向下延伸，直至與立柱下部右側垂直面相交為止；立柱的後側邊緣的大部 為由窄到寬漸變線，立柱(6)後側頂部寬度d5與底部寬度d6之間的比值約為0.7，從立柱 後側頂端開始沿斜面向下延伸，直至與立柱下部後側垂直面相交為止，立柱後側的輪廓斜 面與同側垂直面之間的夾角值為5°。立柱下部後側垂直面交點低於立柱正面的截面0-0 點。
全文摘要
五軸聯動臥式加工中心工具機，其床身包括橫床身和縱床身，其特徵在於橫、縱床身呈T型布置，迴轉工作檯在橫床身上左右運動為X軸運動，立柱在縱床身上前後運動為Z軸運動，擺頭帶動主軸在立柱上上下運動為Y軸運動，主軸繞X軸軸線擺動為A軸運動，迴轉工作檯繞Y軸軸線轉動為B軸運動，X軸、Y軸、Z軸、A軸和B軸可實現五軸聯動加工；A軸單擺頭具有大擺角範圍-120°～+95°，橫床身前方配有雙交換工作檯、縱床身右側設置刀庫及換刀機械手，還設置刀具測量和工件測量裝置；移動立柱為正面和側面的雙向變截面結構。適合對中、大型鈦合金航空結構件的高效、高精度加工。滿足國內航空航天行業對鈦合金航空結構件高效、高精度加工設備的需求。
文檔編號B23Q3/00GK102091942SQ20101061381
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月30日 優先權日2010年12月30日
發明者侯延星, 劉春時, 化春雷, 周樹藩, 崔欣平, 張傳思, 張健, 張凱, 徐兆成, 徐吉存, 戚遠大, 李焱, 楚文龍, 羅和平, 趙雷, 閆海, 韓佳偉, 馬雲鵬 申請人:中捷工具機有限公司