CN110076577A - 一种复杂曲面铣磨测一体化加工机床及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复杂曲面铣磨测一体化加工机床及成形方法，属于机械制造技术领域。龙门固定连接在底座上，X向滑台固定连接在底座上，Y向导轨固定连接在X向导轨的滑台上，回转工作台固定连接在Y向导轨的滑台上，回转工作台上方用于固定连接夹具和工件，Z向滑台有两个，分别固定连接在龙门中间的左右两侧，超声加工***固定连接在左侧的Z向滑台的滑台上，磨削及抛光组件固定连接在右侧的Z向滑台的滑台上。优点是在加工过程中实现多次修正，提供加工精度；加工方式多样：铣抛，磨抛，铣磨抛，可以实现加工开始到结束在一次装夹中完成，减少装夹次数，提高了加工精度和加工效率。

Description

一种复杂曲面铣磨测一体化加工机床及成形方法

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，尤其涉及一种复杂曲面铣磨测一体化加工机床及成形方法。

背景技术

复杂曲面研究对于航空航天、军工和一般民用工业都具有重要意义。发动机叶片、气轮机叶片、涡轮叶片、汽车覆盖件模具、光学透镜等都是一些具有复杂几何形状而且精度要求高的零件。目前为止，大型的具有复杂曲面产品的加工如大型汽车覆盖件模具等仍是普遍采用三轴数控铣床加工，其半精加工、精加工后的精度以及加工效率仍有待提高，而且加工和测量往往经过多次装夹，加工精度和效率进一步降低。对于一些高精度高强度的复杂曲面零件要提高效率和加工精度必须要提高材料去除率，减少装夹次数，采用更可靠的加工方式。

发明内容

本发明提供一种复杂曲面铣磨测一体化加工机床及成形方法，以解决目前高精度高强度的复杂曲面零件加工过程中，数控铣床效率低，精度难以保持的问题。

本发明采取的技术方案是：一种复杂曲面铣磨测一体化加工机床，包括超声加工***、Z向滑台、磨削及抛光组件、龙门、X向滑台、Y向滑台、回转工作台和底座，其中龙门固定连接在底座上，X向滑台固定连接在底座上，Y向导轨固定连接在X向导轨的滑台上，回转工作台固定连接在Y向导轨的滑台上，回转工作台上方用于固定连接夹具和工件，Z向滑台有两个，分别固定连接在龙门中间的左右两侧，超声加工***固定连接在左侧的Z向滑台的滑台上，磨削及抛光组件固定连接在右侧的Z向滑台的滑台上。

所述的超声加工***包括安装底座、在线测量仪、超声振动器、上支撑架、下支撑架、工具头组件、电机及减速器，其中在线测量仪固定连接在安装底座上端面，上支撑架有两个，分别固定连接在安装底座下侧，下支撑架有两个，分别固定连接在上支撑架上，超声振动器有三个，分别固定连接在安装底座上侧和上支撑架、下支撑架中间，工具头组件固定连接在三个超声振动器的头部，电机及减速器固定连接在安装底座下侧，并与工具头组件的工具头空套，通过销传递转矩。

所述的工具头组件包括三维柔性铰、上轴承端盖、销钉、工具头、上轴承、下轴承、下轴承端盖，其中工具头通过上轴承和下轴承采用两端固定的方式固定在三维柔性铰的孔内，上轴承端盖固定连接在三维柔性铰的孔内，并压紧上轴承的外圈，下轴承端盖固定连接在三维柔性铰的孔内，并压紧轴承下的外圈，销钉固定连接在工具头上端的销孔内。

所述的磨削及抛光组件包括磨削组件、安装架、电机、在线测量仪、抛光工具，其中电机固定连接在安装架上侧，磨削组件固定连接在安装架左侧，在线测量仪固定连接在安装架下侧，所述的抛光工具固定连接在安装架右侧。

所述的磨削组件包括主动轮、砂带、张紧轮组件、调节轮、轴、传动轴，其中主动轮通过固定连接在传动轴上，传动轴固定连接在安装架上，张紧轮组件固定连接在安装架上，轴固定连接在安装架上，调节轮固定连接在轴上，砂带包裹在主动轮、张紧轮组件、调节轮外侧。

所述的张紧轮组件包括张紧轮、轴一、轴二、连杆，其中轴二固定连接在安装架上，连杆固定连接在轴二上，轴一与连杆轴向固定，径向滑动，所述的张紧轮与轴一轴向固定，径向滑动。

一种利用复杂曲面铣磨测一体化加工机床的成形方法，包括下列步骤：

1.当工件通过夹具固定安装在回转工作台上之后，先使用超声铣削粗加工，大量去除材料，然后使用进行砂带磨削精加工，最后使用抛光头对难以加工的部位进行修整；

2.1超声铣削时，换能器产生的超声振动经过变幅杆放大后传递给工具头，工具头的超声振动方程为：

x＝A sinωt＝A sin2πft

式中，x为振动的位移量；A为振幅；f为频率；

由上式可知，影响超声铣削的振动参数有两个：A和f，其中，振动频率f等于电源电压频率；采用压电方程分析振幅与电压的关系；由换能器的逆压电原理和机械结构可知，机械边界条件为机械夹持；电学边界条件为电学短路；即d型压电方程：

其中：s₆₆＝2(s₁₁-s₁₂)

上式中，矩阵中d为压电系数；矩阵中s表示场强恒定时的弹性柔顺系数；T为应力；S为应变；E为电场强度；

对于3方向(Z轴方向)有：

S₃＝S₁₃T₁+S₁₃T₂+S₃₃T₃+d₃₃E₃

由于应力T在超声铣削过程中理论上为常量，所以电压和振幅A为线性关系；

综上，控制电源频率和电压大小就可以控制超声振动的频率和振幅，但由于在超声加工中，为得到大的振幅以提高加工质量，发挥超声加工的优越性，要求振动***工作在谐振状态，一般，超声振动***工作前，通过调节电源的电频率，可满足***处于共振的工作条件；但是，在实际加工中，振动***受到外部干扰，***的固有频率可能会发生漂移，还应采用锁相环的方法实现自动频率跟踪；

2.2在工件平面内平行于进给方向的超声振动有利于降低切削力并同时改善表面质量；垂直于工件平面内的超声振动能显著降低的切削力但增加了加工表面的表面粗糙度，为了获得最佳的加工参数，提供的超声铣削***采用三维柔性铰搭配三个超声振动器，工具头主轴通过轴承采用两端固定的方式固定连接在三维柔性铰上，工具头相对于三维柔性铰在任意方向上都不能窜到，电机与工具头空套，用销钉传递扭矩，实现工件平面内任意方向的超声振动以平行于进给方向；同时控制工件平面内的超声振动和垂直于工件平面内的超声振动，当他们的振幅和频率比例合适时，实现保证加工表面质量的同时获得最小铣削力；

工件平面内的两个超声振动频率相同，振动方程为：

则超声振动的合成为：

3.磨削和抛光时，驱动轴二转动一定角度使张紧轮组件左右摆动，通过推动轴可以使调节轮上下移动。通过改变张紧轮组件摆动角度和调节轮的上下位置可以很好的适应复杂曲面，无论是外凸曲面或者是内凹曲面都能适应，对于磨削难以加工的地方可以采用抛光工具修整；

4.成形策略，在每个加工过程中都要反复测量、调整，具体实施如下：

工件毛坯每经过一次加工工序，都需要采用在线测量仪对工件表面采集数据，通过对采集对数据进行处理，反求工件重构模型，同时还要对工件的表面质量进行测量，通过对比工件重构模型和工件理论模型，当重构模型的形状、位置精度和表面质量满足加工要求时，工件加工完成进入下一道工序；当重构模型的形状、位置精度和表面质量不满足加工要求时，对不满足设计要求的区域根据加工工艺分配加工余量然后回到上一道工序。

本发明的加工工具包括包括超声铣削、磨削及抛光，超声铣削工具采用三维柔性铰搭配三个超声振动器，在工件平面内平行进给方向的超声振动有利于降低切削力并同时改善表面质量；垂直于工件平面内的超声振动能显著降低的切削力但增加了加工表面的表面粗糙度。可以使超声振动在工件平面内平行于任意进给方向以改善表面质量；同时可以控制工件平面内的超声振动和垂直于工件平面内的超声振动的比例，实现保证加工表面质量的同时获得最小铣削力。磨削工具通过可以调节张紧轮和调节轮的位置很好的适应复杂曲面，无论是外凸曲面或者是内凹曲面都能适应，抛光工具可以对极其特殊的情况进行修整，而且配备了在线测量仪，加工过程中可以实现在线测量。

本发明有益效果是：

1.采用三维柔性铰组合三个超声振动器可以形成空间任意轨迹铣削路径；

2.用砂带和张紧轮、调整轮组成适应复杂曲面的磨削工具；

3.所有加工过程都能进行在线测量，通过反求重构工件模型与理论模型对比，在加工过程中实现多次修正，提供加工精度；

4.加工方式多样：铣抛，磨抛，铣磨抛，可以实现加工开始到结束在一次装夹中完成，减少装夹次数，提高了加工精度和加工效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明超声加工***的结构示意图；

图3是本发明超声加工工具头组件的结构示意图；

图4是本发明超声加工工具头组件的剖视图；

图5是本发明超声加工工具头组件与电机及减速器连接结构示意图；

图6是本发明磨削及抛光组件结构示意图；

图7是本发明磨削组件的结构示意图；

图8是本发明张紧轮组件的结构示意图。

具体实施方式

图1是本发明总体结构示意图，包括超声加工***1、Z向滑台2、磨削及抛光组件3、龙门4、X向滑台5、Y向滑台6、回转工作台7、底座8、夹具和工件9，其中龙门4固定连接在底座8上，X向滑台5固定连接在底座8上，Y向导轨6固定连接在X向导轨5的滑台上，回转工作台7固定连接在Y向导轨6的滑台上，夹具和工件9固定连接在回转工作台7上，Z向滑台2有两个，分别固定连接在龙门4中间的左右两侧，超声加工***1固定连接在左侧的Z向滑台2的滑台上，磨削及抛光组件3固定连接在右侧的Z向滑台2的滑台上。

如图2、5所示，所述的超声加工***1包括安装底座101、在线测量仪102、超声振动器103、上支撑架104、下支撑架105、工具头组件106、电机及减速器107，其中在线测量仪102固定连接在安装底座101上端面，上支撑架104有两个，分别固定连接在安装底座101下侧，下支撑架105有两个，分别固定连接在上支撑架104上，超声振动器103有三个，分别固定连接在安装底座101上侧和上支撑架104、下支撑架105中间，工具头组件106固定连接在三个超声振动器103的头部，电机及减速器107固定连接在安装底座101下侧，并与工具头组件106的工具头空套，通过销传递转矩。

如图3、4所示，所述的工具头组件106包括三维柔性铰10601、上轴承端盖10602、销钉10603、工具头10604、上轴承10605、下轴承10606、下轴承端盖10607，其中工具头10604通过上轴承10605和下轴承10606采用两端固定的方式固定在三维柔性铰10601的孔内，上轴承端盖10602固定连接在三维柔性铰10601的孔内，并压紧上轴承10605的外圈，下轴承端盖10607固定连接在三维柔性铰10601的孔内，并压紧轴承下10606的外圈，销钉10603固定连接在工具头10604上端的销孔内。

如图6所示，所述的磨削及抛光组件3包括磨削组件301、安装架302、电机303、在线测量仪304、抛光工具305，其中电机303固定连接在安装架302上侧，磨削组件301固定连接在安装架302左侧，在线测量仪304固定连接在安装架302下侧，所述的抛光工具305固定连接在安装架302右侧。

如图7所示，所述的磨削组件301包括主动轮30101、砂带30102、张紧轮组件30103、调节轮30104、轴30105、传动轴30106，其中主动轮30101通过固定连接在传动轴30106上，传动轴30106固定连接在安装架302上，张紧轮组件30103固定连接在安装架302上，轴30105固定连接在安装架302上，调节轮30104固定连接在轴30105上，砂带30102包裹在主动轮30101、张紧轮组件30103、调节轮30104外侧。

如图8所示，所述的张紧轮组件30103包括张紧轮3010301、轴一3010302、轴二3010303、连杆3010304，其中轴二3010303固定连接在安装架302上，连杆3010304固定连接在轴二3010303上，轴一3010302与连杆3010304轴向固定，径向滑动，所述的张紧轮3010301与轴一3010302轴向固定，径向滑动。

工作原理：

超声铣削工具采用三维柔性铰搭配三个超声振动器，可以调节工具头振动频率实现立体空间内任意轨迹铣削路径，磨削工具通过可以调节张紧轮和调节轮的位置很好的适应复杂曲面，无论是外凸曲面或者是内凹曲面都能适应，抛光工具可以对极其特殊的情况进行修整，而且配备了在线测量仪，所有加工过程都能进行在线测量，通过反求重构工件模型与理论模型对比，在加工过程中实现多次修正，提供加工精度。

一种利用复杂曲面铣磨测一体化加工机床的成形方法，包括下列步骤：

1.当工件通过夹具固定安装在回转工作台上之后，先使用超声铣削粗加工，大量去除材料，然后使用进行砂带磨削精加工，最后使用抛光头对难以加工的部位进行修整；

2.1超声铣削时，换能器产生的超声振动经过变幅杆放大后传递给工具头，工具头的超声振动方程为：

x＝A sinωt＝A sin2πft

式中，x为振动的位移量；A为振幅；f为频率；

由上式可知，影响超声铣削的振动参数有两个：A和f，其中，振动频率f等于电源电压频率；采用压电方程分析振幅与电压的关系；由换能器的逆压电原理和机械结构可知，机械边界条件为机械夹持；电学边界条件为电学短路；即d型压电方程：

其中：s₆₆＝2(s₁₁-s₁₂)

上式中，矩阵中d为压电系数；矩阵中s表示场强恒定时的弹性柔顺系数；T为应力；S为应变；E为电场强度；

对于3方向(Z轴方向)有：

S₃＝S₁₃T₁+S₁₃T₂+S₃₃T₃+d₃₃E₃

由于应力T在超声铣削过程中理论上为常量，所以电压和振幅A为线性关系；

综上，控制电源频率和电压大小就可以控制超声振动的频率和振幅，但由于在超声加工中，为得到大的振幅以提高加工质量，发挥超声加工的优越性，要求振动***工作在谐振状态，一般，超声振动***工作前，通过调节电源的电频率，可满足***处于共振的工作条件；但是，在实际加工中，振动***受到外部干扰，***的固有频率可能会发生漂移，还应采用锁相环的方法实现自动频率跟踪；

2.2在工件平面内平行于进给方向的超声振动有利于降低切削力并同时改善表面质量；垂直于工件平面内的超声振动能显著降低的切削力但增加了加工表面的表面粗糙度，为了获得最佳的加工参数，提供的超声铣削***采用三维柔性铰搭配三个超声振动器，工具头主轴通过轴承采用两端固定的方式固定连接在三维柔性铰上，工具头相对于三维柔性铰在任意方向上都不能窜到，电机与工具头空套，用销钉传递扭矩，实现工件平面内任意方向的超声振动以平行于进给方向；同时控制工件平面内的超声振动和垂直于工件平面内的超声振动，当他们的振幅和频率比例合适时，实现保证加工表面质量的同时获得最小铣削力；

工件平面内的两个超声振动频率相同，振动方程为：

则超声振动的合成为：

3.磨削和抛光时，驱动轴二3010303转动一定角度使张紧轮组件30103左右摆动，通过推动轴30105可以使调节轮30104上下移动。通过改变张紧轮组件30103摆动角度和调节轮30104的上下位置可以很好的适应复杂曲面，无论是外凸曲面或者是内凹曲面都能适应，对于磨削难以加工的地方可以采用抛光工具修整；

4.成形策略，在每个加工过程中都要反复测量、调整，具体实施如下：

工件毛坯每经过一次加工工序，都需要采用在线测量仪对工件表面采集数据，通过对采集对数据进行处理，反求工件重构模型，同时还要对工件的表面质量进行测量，通过对比工件重构模型和工件理论模型，当重构模型的形状、位置精度和表面质量满足加工要求时，工件加工完成进入下一道工序；当重构模型的形状、位置精度和表面质量不满足加工要求时，对不满足设计要求的区域根据加工工艺分配加工余量然后回到上一道工序。

Claims (7)

1.一种复杂曲面铣磨测一体化加工机床，其特征在于，包括超声加工***、Z向滑台、磨削及抛光组件、龙门、X向滑台、Y向滑台、回转工作台和底座，其中龙门固定连接在底座上，X向滑台固定连接在底座上，Y向导轨固定连接在X向导轨的滑台上，回转工作台固定连接在Y向导轨的滑台上，回转工作台上方用于固定连接夹具和工件，Z向滑台有两个，分别固定连接在龙门中间的左右两侧，超声加工***固定连接在左侧的Z向滑台的滑台上，磨削及抛光组件固定连接在右侧的Z向滑台的滑台上。

2.根据权利要求1所述的一种复杂曲面铣磨测一体化加工机床，其特征在于：所述的超声加工***包括安装底座、在线测量仪、超声振动器、上支撑架、下支撑架、工具头组件、电机及减速器，其中在线测量仪固定连接在安装底座上端面，上支撑架有两个，分别固定连接在安装底座下侧，下支撑架有两个，分别固定连接在上支撑架上，超声振动器有三个，分别固定连接在安装底座上侧和上支撑架、下支撑架中间，工具头组件固定连接在三个超声振动器的头部，电机及减速器固定连接在安装底座下侧，并与工具头组件的工具头空套，通过销传递转矩。

3.根据权利要求2所述的一种复杂曲面铣磨测一体化加工机床，其特征在于：所述的工具头组件包括三维柔性铰、上轴承端盖、销钉、工具头、上轴承、下轴承、下轴承端盖，其中工具头通过上轴承和下轴承采用两端固定的方式固定在三维柔性铰的孔内，上轴承端盖固定连接在三维柔性铰的孔内，并压紧上轴承的外圈，下轴承端盖固定连接在三维柔性铰的孔内，并压紧轴承下的外圈，销钉固定连接在工具头上端的销孔内。

4.根据权利要求1所述的一种复杂曲面铣磨测一体化加工机床，其特征在于：所述的磨削及抛光组件包括磨削组件、安装架、电机、在线测量仪、抛光工具，其中电机固定连接在安装架上侧，磨削组件固定连接在安装架左侧，在线测量仪固定连接在安装架下侧，所述的抛光工具固定连接在安装架右侧。

5.根据权利要求4所述的一种复杂曲面铣磨测一体化加工机床，其特征在于：所述的磨削组件包括主动轮、砂带、张紧轮组件、调节轮、轴、传动轴，其中主动轮通过固定连接在传动轴上，传动轴固定连接在安装架上，张紧轮组件固定连接在安装架上，轴固定连接在安装架上，调节轮固定连接在轴上，砂带包裹在主动轮、张紧轮组件、调节轮外侧。

6.根据权利要求5所述的一种复杂曲面铣磨测一体化加工机床，其特征在于：所述的张紧轮组件包括张紧轮、轴一、轴二、连杆，其中轴二固定连接在安装架上，连杆固定连接在轴二上，轴一与连杆轴向固定，径向滑动，所述的张紧轮与轴一轴向固定，径向滑动。

7.一种利用如权利要求1～6所述的复杂曲面铣磨测一体化加工机床的成形方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1).当工件通过夹具固定安装在回转工作台上之后，先使用超声铣削粗加工，大量去除材料，然后使用进行砂带磨削精加工，最后使用抛光头对难以加工的部位进行修整；

(2.1)超声铣削时，换能器产生的超声振动经过变幅杆放大后传递给工具头，工具头的超声振动方程为：

x＝Asinωt＝Asin2πft

式中，x为振动的位移量；A为振幅；f为频率；

由上式可知，影响超声铣削的振动参数有两个：A和f，其中，振动频率f等于电源电压频率；采用压电方程分析振幅与电压的关系；由换能器的逆压电原理和机械结构可知，机械边界条件为机械夹持；电学边界条件为电学短路；即d型压电方程：

其中：s₆₆＝2(s₁₁-s₁₂)

上式中，矩阵中d为压电系数；矩阵中s表示场强恒定时的弹性柔顺系数；T为应力；S为应变；E为电场强度；

对于3方向、Z轴方向有：

S₃＝S₁₃T₁+S₁₃T₂+S₃₃T₃+d₃₃E₃

由于应力T在超声铣削过程中理论上为常量，所以电压和振幅A为线性关系；

综上，控制电源频率和电压大小就可以控制超声振动的频率和振幅，但由于在超声加工中，为得到大的振幅以提高加工质量，发挥超声加工的优越性，要求振动***工作在谐振状态，一般，超声振动***工作前，通过调节电源的电频率，可满足***处于共振的工作条件；但是，在实际加工中，振动***受到外部干扰，***的固有频率可能会发生漂移，还应采用锁相环的方法实现自动频率跟踪；

(2.2)在工件平面内平行于进给方向的超声振动有利于降低切削力并同时改善表面质量；垂直于工件平面内的超声振动能显著降低的切削力但增加了加工表面的表面粗糙度，为了获得最佳的加工参数，提供的超声铣削***采用三维柔性铰搭配三个超声振动器，工具头主轴通过轴承采用两端固定的方式固定连接在三维柔性铰上，工具头相对于三维柔性铰在任意方向上都不能窜到，电机与工具头空套，用销钉传递扭矩，实现工件平面内任意方向的超声振动以平行于进给方向；同时控制工件平面内的超声振动和垂直于工件平面内的超声振动，当他们的振幅和频率比例合适时，实现保证加工表面质量的同时获得最小铣削力；

工件平面内的两个超声振动频率相同，振动方程为：

则超声振动的合成为：

(3).磨削和抛光时，驱动轴二转动一定角度使张紧轮组件左右摆动，通过推动轴可以使调节轮上下移动。通过改变张紧轮组件摆动角度和调节轮的上下位置可以很好的适应复杂曲面，无论是外凸曲面或者是内凹曲面都能适应，对于磨削难以加工的地方可以采用抛光工具修整；

(4).成形策略，在每个加工过程中都要反复测量、调整，具体实施如下：

工件毛坯每经过一次加工工序，都需要采用在线测量仪对工件表面采集数据，通过对采集对数据进行处理，反求工件重构模型，同时还要对工件的表面质量进行测量，通过对比工件重构模型和工件理论模型，当重构模型的形状、位置精度和表面质量满足加工要求时，工件加工完成进入下一道工序；当重构模型的形状、位置精度和表面质量不满足加工要求时，对不满足设计要求的区域根据加工工艺分配加工余量然后回到上一道工序。