叶片加工中心B轴结构设计


引 言

五轴叶片加工中心是专门加工汽轮机、航空航天发动机等叶片和其他窄长型具有空间复杂曲面零件的机床。该类型机床由 X 轴、Y 轴、Z 轴、A 轴和B 轴组成,A 轴为叶片的回转轴,B 轴为刀具摆动轴,3 个直线轴X、Y、Z 的布置类似立式加工中心的布置形式[1-4]。刀具摆动轴B 轴作为五轴叶片加工中心中的核心部件之一,其结构设计、加工过程中的平稳性、分度的准确性、转速的快慢等将会直接影响加工零件的精度。

在当今五轴叶片加工中心需求量不断增加的形势下,国内外学者纷纷对 B 轴进行研究,并不断改进其结构及各方面的性能[5-8]。国外的五轴联动叶片加工中心B 轴种类较多,形式各异,如果以 B 轴与刀具主轴的连接形式来划分,可分为B 轴回转中心与刀具主轴的回转中心呈45°角和90°角两类。国内对五轴联动叶片加工中心的研究起步较晚,各参数(包括各轴快速移动精度、刀具主轴转速等)同国外相比均较低,机床结构也不如国外灵活多变[9-11]。北京机电院机床有限公司是国内第一家成功研制出五轴联动叶片加工中心的厂家,XKH 系列的 B 轴轴线偏离刀具主轴中心,而与刀尖部位基本重 合。机床有限公司的V5X1800加工中心的B 轴采用机械结构,具有弧形导轨引导的平衡刀具主轴摆动所产生的偏心力矩机构。

本文主要对所研制的五轴联动叶片加工中心进行刀具摆动轴(B 轴)的结构设计和试验研究。

1    叶片加工中心B 轴工作原理与总体结构设计

1.1  叶片加工中心B 轴工作原理

五轴叶片加工中心的底座为整体床身,立柱和工作台通过直线滚柱导轨安装在床身上;立柱左右移动形成 X 轴;工作台前后移动形成Y 轴;B 轴通过直线滚柱导轨安装在立柱上,上下移动形成 Z 轴;头架和尾架安装在工作台上,卡紧工件,同步旋转形成 A 轴; 主轴箱固定在B 轴上,摆动部件带动主轴箱摆动形成刀具摆动轴。

摆动部件主要由主轴箱、B 轴箱体、蜗轮蜗杆传动副、弹簧平衡装置等组成。主轴箱固定在 B 轴上,B轴与蜗轮轴固联。同步电机通过减速带动蜗轮蜗杆副和摆动转盘使主轴箱摆动,摆动范围为±45°。主轴尾端装有角度编码器,以实现摆动轴的闭环控制。B 轴和B 轴箱体顶部装有弹簧座,弹簧拉动摆动 B 轴,以平衡主轴箱偏重产生的偏转力矩。

1.2  叶片加工中心B 轴总体结构设计

五轴叶片加工中心主体由床身、立柱、工作台、头架、尾架、B 轴箱体、主轴箱、刀库等几大部件组成,如图1所示。

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图1 五轴叶片加工中心结构简图

叶片加工中心 B 轴的主轴通过转台轴承固联在B 轴箱体上,B 轴箱体通过直线导轨副固联在立柱上。

 

主轴中部安装有双导程蜗轮蜗杆副,B 轴回转角度为±45°,调整蜗杆位置可消除蜗轮蜗杆副传动间隙。B 轴的尾端装有角度编码器,以实现 B 轴的闭环控制。B 轴后部装有超限位开关,和角度编码器后部的2 个撞块配合,用以确定B 轴在回转过程中超极限位置的报警。B 轴箱体通过Z 轴直线滚柱导轨安装在立柱前面。Z 轴力矩电机直接带动Z 轴丝杠旋转,进而带动B 轴箱体沿Z 方向作直线运动。

根据机床B  轴转速较低、运转周期短、承载较大、对刚性和精度要求都较高的工作情况及使用要求,在主轴前端选用了进口的推力- 向心组合结构的转台轴承。转台轴承能承受双向轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩。

2    五轴叶片加工中心B 轴性能测试研究

对五轴叶片加工中心B 轴进行性能测试研究的目的是了解新产品的综合性能,为提高机床设计和制造水平提供数据。试验依据CSGF508.1-2008《数控机床适应性试验规范》、ISO 标准和国家标准及行业标准进行。 2.1  空运转运动特性试验

在空运转情况下,检验主轴和进给轴的运动特性, 能够考核控制系统和运动链之间的综合精度[12]。需要的试验器材是球杆仪,检测精度为0.1μm,主轴分别以300 mm/min、1000 mm/min 运行情况下,测量 XY 轴的坐标曲线,球杆的长度为150 mm。

试验时球杆仪底座放在了 A 轴转台专用夹具延伸出来的平板上,如图2所示。由于机床没有工作台, 无法进行YZ、XZ  平面的圆弧插补精度检验,故本试验中将只进行 XY 平面的圆弧插补精度检验,检验结果如表1所示。从检验结果来看,该机床的圆弧插补精度达到了设计要求和国家标准,完全能够满足客户加工叶片类零件的精度要求。


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  图2 利用球杆仪进行圆弧插补精度检验表

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两种速度时的圆弧插补精度检验结果如图3 所示,结果显示在 XY 平面四个象限连接处的精度出现异常,这说明在象限的连接处插补出现拐点,导致圆弧插补在该处的误差达到最大。这种现象在机床的参数设置中是不可避免的,但可以在保证机床加工要求的前提下,将误差优化到最小。本次检测的结果表明,还可以通过参数调节对机床圆弧插补精度进行进一步的优化。

2.2  加工精度检测试验

按照机床加工精度标准规定的典型试件进行加工,按照测量标准中规定的项目指标来评定机床精加工水平。试件为圆锥截体,尺寸如图4 所示。用立铣刀的侧刃铣削圆锥截体的曲面,圆锥截体切削后可从底座上拆下来测量。试件材料为铸铝,将试件安装在

上平面与下平面倾斜10°的底座上。试件应尽量位于X 轴线行程的中间位置,并沿Y 轴和Z 轴在适合于试件和夹具定位及刀具长度的适当位置放置。安装按照图5进行,必要时可用过渡件将底座与机床联接定位。加工完成的试验工件如图6所示。

 

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图3 圆弧插补精度检验结果

 

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图4 五轴加工中心试切样件


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图5 加工精度试验切削  图6 加工精度试验工件


在三坐标测量仪上对 试 切 件 中直 径 分 别为Φ140 mm、Φ147 mm 和Φ120 mm 的圆进行圆度和同心度检测,检测结果如表2 所示。检测结果说明本试验中使用五轴机床进行五轴联动插补铣削圆锥试切件,精度完全达到设定要求,从而说明试验机床在进行

五轴联动插补加工时,完全可以保证加工件的精度。


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从试验结果上来看,本试验在直径为 Φ140 mm、圆周速度 F =400 mm/min 时的圆度最大误差为0.019 mm,而在 XY 平面的圆弧插补试验中,在直径为300mm(球杆仪杆长150 mm)圆周,速度F=300 mm/min时的圆度误差为0.025 mm,这说明五轴联动的圆弧插补与三轴的圆弧插补相比较,精度没有下降反而有所提升。理论上由于五轴联动插补时两个旋转轴的转动,使得其他三个直线轴的直线移动距离大幅减少, 移动距离的减小也就使得加工精度得到提升,这不但抵消了因为插补轴数增加导致的精度下降,还使得整体的加工精度提高。

3 结 论

本文对所研制的五轴叶片加工中心进行刀具摆动轴(B 轴)总体设计。首先介绍了 B 轴的工作原理,并对机构进行了机械结构设计。之后进行了五轴叶片加工中心性能测试试验,包括空运转运动特性试验和加工精度检测试验。试验结果表明,机床进行五轴联动插补铣削圆锥试切件,精度完全达到设定要求,从而说 明所设计的刀具摆动轴在进行五轴联动插补加工时, 完全可以满足加工件的精度要求。本文研究内容为五轴叶片加工中心 B 轴结构进一步的设计和应用奠定了一定的理论和试验基础。



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