CN114160849B - 一种新型涡盘专用机床及其加工方法 - Google Patents

一种新型涡盘专用机床及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型涡盘专用机床及其加工方法，它包括刀具运动模块、冷却润滑***、双轴刀具模块、工作台及夹具模块。工作台及夹具模块通过刀具运动模块上的连接件和双轴刀具模块形成一个包覆型整体连接，冷却润滑***布置在整个机床内部。刀具运动模块实现刀座在上下前后两个方向的直线进给运动，冷却润滑***负责整个机床的切削液和润滑液的循环作用，双轴刀具模块实现铣刀的旋转运动，工作台及夹具模块实现工作台的旋转和对工件的夹紧，使用本发明，可以实现在刀具不换向直线进给，工作台不变向旋转的条件下对涡盘内外螺旋面一次加工完成，大大提高了生产精度和生产效率。

Description

一种新型涡盘专用机床及其加工方法
技术领域
本发明涉及一种新型涡盘专用机床及其加工方法，特别是针对压缩机中的薄壁螺旋涡盘的加工。
背景技术
近年来，随着食品、化工、医疗卫生等领域的快速发展，涡轮压缩机的应用越来越广泛，而涡盘作为涡轮压缩机的核心部件，其市场需求量更是巨大。
涡盘的加工精度和形位公差要求很高，目前大多采用加工中心进行涡盘加工，其中L2立加是最普遍的加工方式。但这些加工方式由于机床设计的局限性，均采用了工作台X/Y轴插补方法来加工生产。由于涡盘的螺旋面形状复杂，故这种加工方式在过象限时产生的误差极易引起加工面的条状缺陷，因而需要后续配合检测和精加工来弥补加工缺陷，来满足使用要求。另外，目前多数的涡盘加工机床由于加工方法的限制，需要更多的零部件来达到螺旋轨迹加工，就使得主轴悬垂很大，受力不稳定，需要加入悬垂偏差补偿，从而降低了加工精度。涡盘由于本身螺旋面的不规则形状和底部边缘的薄壁结构，因此需要合理的工装夹具的设计来保障加工过程的稳定性。
目前市场上急需一款能够采用全新加工原理的，能够解决上述加工问题的新型涡盘专用机床。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种新型涡盘专用机床及其加工方法。
本发明首先提供了一种新型涡盘专用机床，其包括刀具运动模块、冷却润滑***、双轴刀具模块、工作台及夹具模块；工作台及夹具模块、刀具运动模块、双轴刀具模块形成包覆型整体连接，冷却润滑***布置在整个机床内部；所述冷却润滑***位于机床内部，为整个机床提供切削液和润滑液的循环；
所述刀具运动模块包括x轴直线电机模组、z轴直线电机模组、侧壁连接块、主轴连接块；
所述双轴刀具模块包括刀座、双轴电机、双铣刀、中心主轴；
所述工作台及夹具模块包括边缘锁紧夹具、边缘夹具、侧面夹具、工作台，其中，边缘锁紧夹具包括若干锁紧扣件，用于锁紧边缘夹具和侧面夹具；所述边缘夹具包括卡紧爪、弹性垫、卡紧螺母、卡紧螺杆、锁紧扣件；侧面夹具包括自定心卡盘、夹紧爪；
两个侧壁连接块位于刀具运动模块的下部的左右两侧，两个侧壁连接块上均设置有x轴直线电机模组，主轴连接块的左右两端各设置在一个x轴直线电机模组上，主轴连接块与两个侧壁连接块之间可移动连接，z轴直线电机模组有两个，均设置在主轴连接块上；刀具主轴模块通过z轴直线电机模组与主轴连接块可移动连接；
双轴电机内嵌在刀座内，双轴电机同向伸出两根轴，分别连接两把铣刀；刀座设置在两个z轴直线电机模组的导轨滑块上实现Z轴可移动连接；
工作台中内嵌有电机，电机和机床床身固连，工作台上固连有边缘锁紧夹具、边缘夹具、侧面夹具，夹具上装夹工件；侧面夹具中，自定心卡盘和工件下部侧面通过夹紧爪扣合，边缘夹具中，卡紧螺母两端分别连接左右卡紧爪，卡紧爪卡紧侧嵌有弹性垫，卡紧螺杆为带螺纹可旋转的锁紧杆，卡紧螺杆与卡紧螺母的两端均通过螺纹配合，卡紧螺杆转动时，卡紧螺母的两端将分别带动左右卡紧爪做锁紧或松开的动作，所述锁紧扣件具有螺杆座和与螺杆座螺纹配合的竖向螺杆，通过转动螺杆可实现螺杆相对螺杆座的上下移动；需要锁紧时，先将若干锁紧扣件扣在边缘夹具、侧面夹具的外侧上，使边缘夹具、侧面夹具的位于螺杆座中间，转动竖向螺杆使其向下移动，螺杆的下端面和螺杆座夹紧边缘夹具和侧面夹具的上下面。
优选的，所述的侧壁连接块和主轴连接块将工作台及夹具模块和刀具主轴模块包围在内，使刀具主轴模块和工件的工作区间连接为一个整体，刀具主轴模块与连接支撑件无轴向偏差，形成零悬垂结构，且主轴连接块上布置有肋板结构。
优选的，所述的两把铣刀从涡盘起始端开始，向圆心做直线进给运动，工件做定轴旋转运动，通过两个简单运动的叠加和两者合理的速度调整，实现涡盘的螺旋轨迹加工路径。
优选的，所述的两把铣刀的中心距可以根据加工零件的壁厚进行调整，两把铣刀的刀刃顺逆方向相反，铣刀的加工长度大于涡盘侧面的待加工长度。
优选的，中心主轴的轴线和两个z轴直线电机模组的导轨滑块在同一竖直平面上，进给力直接通过滑块传导至刀座上。
优选的，所述的卡紧爪的形状可以贴合工件外侧的螺旋圆侧面，卡紧爪通过末端弹性垫和工件涡盘的外侧面贴紧。
优选的，自定心卡盘为三爪自定心卡盘，夹紧爪有三个，间隔120°设置。
本发明还提供了一种上述的新型涡盘专用机床的加工方法，其包括以下步骤：
1)通过调节自定心卡盘的夹紧爪对工件下端圆盘侧面进行自定心夹紧，然后旋转螺杆，通过螺母座带动两侧的卡紧爪包围夹紧工件涡盘的外侧面；
2)卡紧爪通过末端弹性垫和工件涡盘的外侧面贴紧，弹性垫可以缓和工件薄壁加工过程中的热变形造成的冲击效应，夹紧完毕后，通过圆周上的锁紧扣件锁紧边缘夹具和侧面夹具；
3)工件夹紧完毕后，电机带动工作台和工件旋转，与此同时，x轴直线电机模组启动，实现刀座x轴方向上的进给运动，z轴直线电机模组启动，实现刀座z轴方向上的进退刀运动；
4)两把铣刀构成双铣刀结构，双铣刀从涡盘起始端开始，向圆心做直线进给运动，双铣刀的外刀加工涡盘的外侧面，内刀加工内侧面，两者大部分的加工应力可以相互抵消；由于铣刀的长度大于涡盘待加工长度，可以实现在刀具不换向直线进给，工作台不变向旋转的条件下对涡盘内外面一次加工完成；
5)在加工过程中冷却润滑***对工件添加切削液，并对机床各个部件进行冷却润滑。
使用本发明，可以实现在刀具不换向直线进给、工作台不变向旋转的条件下对涡盘内外螺旋面一次加工完成，解决了传统加工中心加工涡盘的中心十字插补中存在的过象限误差问题和传统加工中内外面分次反复走刀的加工工序繁琐问题，大大提高了生产精度和生产效率。另外，还有零悬垂结构的设计，使加工过程无需偏差补偿，缩小了加工误差。肋板结构的设计在减轻质量的同时增大了强度，提高了刀座运动的稳定性，减轻了直线电机的负荷。直线电机的使用使机床相对普通螺纹传动机床，运动更为准确、快速，从而提高了加工精度加工效率。中心主轴和z轴直线电机模组的导轨滑块在同一平面上，加工时，进给力直接通过滑块传导至刀座上，而不会产生偏心力矩，从而使受力更加稳定，提高了加工可靠性。通过对工件侧面和边缘的双重固定夹紧，提高了装夹的可靠性。双面加工使得加工应力得到抵消，从而减小了加工变形。
附图说明
图1是本发明新型涡盘专用机床的整体示意图；
图2是本发明新型涡盘专用机床刀具运动模块的示意图；
图3是本发明新型涡盘专用机床零悬垂结构的示意图；
图4是本发明新型涡盘专用机床双轴刀具模块的示意图；
图5是本发明新型涡盘专用机床主轴导轨一体化示意图；
图6是本发明新型涡盘专用机床工作台及夹具模块示意图；
图7是本发明新型涡盘专用机床的加工工件示意图；
图8是本发明新型涡盘专用机床的自定心侧面装夹示意图；
图9是本发明新型涡盘专用机床的边缘装夹示意图；
图10是本发明新型涡盘专用机床的边缘装夹锁紧示意图；
图中，刀具运动模块1、冷却润滑***2、双轴刀具模块3、工作台及夹具模块4、x轴直线电机模组11、z轴直线电机模组12、侧壁连接块13、主轴连接块14、刀座31、双轴电机32、双铣刀33、中心主轴34、工件41、边缘锁紧夹具42、边缘夹具43、侧面夹具44、工作台45、卡紧爪431、弹性垫432、卡紧螺母433、卡紧螺杆434、锁紧扣件421、自定心卡盘441、夹紧爪442。
具体实施方式
如图1所示，新型涡盘专用机床包括刀具运动模块1、冷却润滑***2、双轴刀具模块3、工作台及夹具模块4。工作台及夹具模块4通过刀具运动模块1上的连接件和双轴刀具模块3形成一个包覆型整体连接，冷却润滑***2布置在整个机床内部。刀具运动模块1实现刀座在上下前后两个方向的直线进给运动，冷却润滑***2负责整个机床的切削液和润滑液的循环作用，双轴刀具模块3实现铣刀的旋转运动，工作台及夹具模块4实现工作台的旋转和对工件的夹紧。
如图2所示，刀具运动模块1包括x轴直线电机模组11、z轴直线电机模组12、侧壁连接块13、主轴连接块14。两个侧壁连接块13位于刀具运动模块1的下部的左右两侧，两个侧壁连接块13上均设置有x轴直线电机模组11，主轴连接块14的左右两端各设置在一个x轴直线电机模组11上，主轴连接块14与两个侧壁连接块13之间可移动连接，z轴直线电机模组12有两个，均设置在主轴连接块14上。两个侧壁连接块13与工作台及夹具模块4的驱动电机固定连接，刀具主轴模块3通过z轴直线电机模组12与主轴连接块14可移动连接。
如图3所示，两个侧壁连接块13和主轴连接块14将工作台及夹具模块4、双轴刀具模块3包围在内，使刀具和工件的工作区间连接为一个整体，刀具主轴设计紧凑，在前向视图上表现为与连接支撑件无轴向偏差，在同一条水平线上，从而实现零悬垂结构，无需偏差补偿，缩小了加工误差。工作时，x轴直线电机模组11实现刀座x轴方向上的进给运动，z轴直线电机模组12实现刀座z轴方向上的进退刀运动，主轴连接块14上布置有肋板结构，在减轻质量的同时增大了强度，提高了刀座运动的稳定性，减轻了直线电机的负荷。直线电机的使用使机床相对普通螺纹传动机床，运动更为准确、快速。从而提高了加工精度加工效率。
如图4所示，双轴刀具模块3包括刀座31、双轴电机32、两把铣刀33、中心主轴34，双轴电机32内嵌在刀座31内，双轴电机32同向伸出两根轴，分别连接两把铣刀33。两把铣刀33的中心距可以根据加工零件的壁厚进行调整，且由于内外壁加工方向相反，两把铣刀的刀刃顺逆方向也相反，两把铣刀的加工长度大于涡盘侧面的待加工长度。如图5所示，刀座31设置在两个z轴直线电机模组12的导轨滑块上实现Z轴可移动连接，中心主轴34的轴线和两个z轴直线电机模组12的导轨滑块在同一竖直平面上，加工时，进给力直接通过滑块传导至刀座31上，而不会产生偏心力矩，从而使受力更加稳定，提高了加工可靠性。
如图6所示，工作台及夹具模块4包括边缘锁紧夹具42、边缘夹具43、侧面夹具44、工作台45。其中，边缘锁紧夹具42包括若干锁紧扣件421，用于锁紧边缘夹具43和侧面夹具44；所述边缘夹具43包括卡紧爪431、弹性垫432、卡紧螺母433、卡紧螺杆434、锁紧扣件435；侧面夹具44包括自定心卡盘441、夹紧爪442；工作台45中内嵌有电机，电机和机床床身固连，工作台45上固连有边缘锁紧夹具42、边缘夹具43、侧面夹具44，夹具上装夹工件41。侧面夹具44中，自定心卡盘441和工件下部侧面通过夹紧爪442扣合，边缘夹具43中，卡紧螺母433两端分别连接左右卡紧爪431，卡紧爪431卡紧侧嵌有弹性垫432，卡紧螺杆434为带螺纹可旋转的锁紧杆，卡紧螺杆434与卡紧螺母433的两端均通过螺纹配合，卡紧螺杆434转动时，卡紧螺母433的两端将分别带动左右卡紧爪431做锁紧或松开的动作，所述锁紧扣件421具有螺杆座和与螺杆座螺纹配合的竖向螺杆，通过转动螺杆可实现螺杆相对螺杆座的上下移动；需要锁紧时，先将若干锁紧扣件扣在边缘夹具43、侧面夹具44的外侧上，使边缘夹具43、侧面夹具44的位于螺杆座中间，转动竖向螺杆使其向下移动，螺杆的下端面和螺杆座夹紧边缘夹具43和侧面夹具44的上下面。在本实施例中，自定心卡盘441为三爪自定心卡盘，夹紧爪442有三个，间隔120°设置。
如图7所示，工件的加工面是螺旋面的内外侧面。如图9所示，卡紧爪431的形状可以贴合工件外侧的螺旋圆侧面。工作时，如图8所示，先通过调节三爪自定心卡盘441的三个夹紧爪442对工件下端圆盘侧面进行自定心夹紧，然后旋转螺杆434，如图9所示，通过卡紧螺母433带动两侧的卡紧爪431包围夹紧工件涡盘的外侧面，卡紧爪431通过末端弹性垫432和工件涡盘的外侧面贴紧，弹垫432可以缓和工件薄壁加工过程中的热变形造成的冲击效应。夹紧完毕后，通过圆周上的锁紧扣件421锁紧边缘夹具43和侧面夹具44，在本实施例中，锁紧扣件421是一个具有螺纹杆和与螺纹杆配合的内螺纹座的夹子，通过转动螺纹杆实现螺纹杆的上下移动，从而夹紧锁紧边缘夹具43和侧面夹具44的边缘。工件夹紧完毕后，电机带动工作台45和工件41一起旋转，如图6所示，两个铣刀组成双铣刀，双铣刀从涡盘起始端开始，向圆心做直线进给运动，工件做定轴旋转运动，通过两个简单运动的叠加和两者合理的速度调整，实现涡盘的螺旋轨迹行走，双铣刀的外侧铣刀加工涡盘的外侧面，内侧铣刀加工内侧面，两者大部分的加工应力可以相互抵消，从而减小薄壁件的加工变形，由于铣刀的长度大于涡盘待加工长度，即铣刀的加工范围可以覆盖加工长度，可以实现在刀具不换向直线进给、工作台不变向旋转的条件下对涡盘内外面一次加工完成，解决了加工中心十字插补中存在的过象限误差问题和传统加工中内外面分次反复走刀的加工工序繁琐问题，大大提高了生产精度和生产效率。

Claims (8)

1.一种新型涡盘专用机床，其特征在于包括刀具运动模块(1)、冷却润滑***(2)、双轴刀具模块(3)、工作台及夹具模块(4)；工作台及夹具模块(4)、刀具运动模块(1)、双轴刀具模块(3)形成包覆型整体连接，冷却润滑***(2)布置在整个机床内部；所述冷却润滑***(2)位于机床内部，为整个机床提供切削液和润滑液的循环；
所述刀具运动模块(1)包括x轴直线电机模组(11)、z轴直线电机模组(12)、侧壁连接块(13)、主轴连接块(14)；
所述双轴刀具模块(3)包括刀座(31)、双轴电机(32)、双铣刀(33)、中心主轴(34)；
所述工作台及夹具模块(4)包括边缘锁紧夹具(42)、边缘夹具(43)、侧面夹具(44)、工作台(45)，其中，边缘锁紧夹具(42)包括若干锁紧扣件(421)，用于锁紧边缘夹具(43)和侧面夹具(44)；所述边缘夹具(43)包括卡紧爪(431)、弹性垫(432)、卡紧螺母(433)、卡紧螺杆(434)；侧面夹具(44)包括自定心卡盘(441)、夹紧爪(442)；
两个侧壁连接块(13)位于刀具运动模块(1)的下部的左右两侧，两个侧壁连接块(13)上均设置有x轴直线电机模组(11)，主轴连接块(14)的左右两端各设置在一个x轴直线电机模组(11)上，主轴连接块(14)与两个侧壁连接块(13)之间可移动连接，z轴直线电机模组(12)有两个，均设置在主轴连接块(14)上；刀具主轴模块(3)通过z轴直线电机模组(12)与主轴连接块(14)可移动连接；
双轴电机(32)内嵌在刀座(31)内，双轴电机(32)同向伸出两根轴，分别连接两把铣刀(33)；刀座(31)设置在两个z轴直线电机模组(12)的导轨滑块上实现Z轴可移动连接；
工作台(45)中内嵌有电机，电机和机床床身固连，工作台(45)上固连有边缘锁紧夹具(42)、边缘夹具(43)、侧面夹具(44)，夹具上装夹工件(41)；侧面夹具(44)中，自定心卡盘(441)和工件下部侧面通过夹紧爪(442)扣合，边缘夹具(43)中，卡紧螺母(433)两端分别连接左右卡紧爪(431)，卡紧爪(431)卡紧侧嵌有弹性垫(432)，卡紧螺杆(434)为带螺纹可旋转的锁紧杆，卡紧螺杆(434)与卡紧螺母(433)的两端均通过螺纹配合，卡紧螺杆(434)转动时，卡紧螺母(433)的两端将分别带动左右卡紧爪(431)做锁紧或松开的动作，所述锁紧扣件(421)具有螺杆座和与螺杆座螺纹配合的竖向螺杆，通过转动螺杆可实现螺杆相对螺杆座的上下移动；需要锁紧时，先将若干锁紧扣件扣在边缘夹具(43)、侧面夹具(44)的外侧上，使边缘夹具(43)、侧面夹具(44)的位于螺杆座中间，转动竖向螺杆使其向下移动，螺杆的下端面和螺杆座夹紧边缘夹具(43)和侧面夹具(44)的上下面。
2.根据权利要求1所述的一种新型涡盘专用机床，其特征在于所述的侧壁连接块(13)和主轴连接块(14)将工作台及夹具模块(4)和刀具主轴模块(3)包围在内，使刀具主轴模块(3)和工件的工作区间连接为一个整体，刀具主轴模块(3)与连接支撑件无轴向偏差，形成零悬垂结构，且主轴连接块(14)上布置有肋板结构。
3.根据权利要求1所述的一种新型涡盘专用机床，其特征在于所述的两把铣刀从涡盘起始端开始，向圆心做直线进给运动，工件做定轴旋转运动，通过两个简单运动的叠加和两者合理的速度调整，实现涡盘的螺旋轨迹加工路径。
4.根据权利要求1所述的一种新型涡盘专用机床，其特征在于所述的两把铣刀(33)的中心距可以根据加工零件的壁厚进行调整，两把铣刀的刀刃顺逆方向相反，铣刀的加工长度大于涡盘侧面的待加工长度。
5.根据权利要求1所述的一种新型涡盘专用机床，其特征在于中心主轴(34)的轴线和两个z轴直线电机模组(12)的导轨滑块在同一竖直平面上，进给力直接通过滑块传导至刀座(31)上。
6.根据权利要求1所述的一种新型涡盘专用机床，其特征在于所述的卡紧爪(431)的形状可以贴合工件外侧的螺旋圆侧面，卡紧爪(431)通过末端弹性垫(432)和工件涡盘的外侧面贴紧。
7.根据权利要求1所述的一种新型涡盘专用机床，其特征在于，自定心卡盘(441)为三爪自定心卡盘，夹紧爪(442)有三个，间隔120°设置。
8.一种如权利要求1所述的新型涡盘专用机床的加工方法，其特征在于包括以下步骤：
1)通过调节自定心卡盘(441)的夹紧爪(442)对工件下端圆盘侧面进行自定心夹紧，然后旋转螺杆(434)，通过螺母座(433)带动两侧的卡紧爪(431)包围夹紧工件涡盘的外侧面；
2)卡紧爪(431)通过末端弹性垫(432)和工件涡盘的外侧面贴紧，弹垫(432)可以缓和工件薄壁加工过程中的热变形造成的冲击效应，夹紧完毕后，通过圆周上的锁紧扣件(421)锁紧边缘夹具(43)和侧面夹具(44)；
3)工件夹紧完毕后，电机带动工作台(45)和工件(41)旋转，与此同时，x轴直线电机模组(11)启动，实现刀座x轴方向上的进给运动，z轴直线电机模组(12)启动，实现刀座z轴方向上的进退刀运动；
4)两把铣刀构成双铣刀结构，双铣刀从涡盘起始端开始，向圆心做直线进给运动，双铣刀的外刀加工涡盘的外侧面，内刀加工内侧面，两者大部分的加工应力可以相互抵消；由于铣刀的长度大于涡盘待加工长度，可以实现在刀具不换向直线进给，工作台不变向旋转的条件下对涡盘内外面一次加工完成；
5)在加工过程中冷却润滑***(2)对工件添加切削液，并对机床各个部件进行冷却润滑。
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