一种集成原位测量的五轴超声纵扭铣削加工机床的制作方法

1.本发明涉及机床技术领域，特别涉及一种集成原位测量的五轴超声纵扭铣削加工机床。


背景技术：

2.随着航空航天领域的快速发展，人们对航空复杂薄壁件的加工质量及其服役性能的要求日益提高。钛铝合金、镍基高温合金、铼等金属材料在航空航天零件制造中的应用越来越广泛。现常采用铸造、精铣以及磨抛等多道工艺进行航空零部件制造，逐步发展出利用五轴数控机床进行复杂形状零部件加工的方式。为了进一步获得更好的加工表面质量，逐渐将超声振动辅助加工的方式引入到传统铣削加工之中，逐渐发展为基于工件振动方向的一维进给超声辅助铣削和二维椭圆振动辅助铣削。为了获取加工零件的形位精度来评估是否满足加工工艺的要求，现有技术常采用离线检测方法，往往需要将被测工件取出，检测完毕后再进行二次装夹。
3.目前，应用于航空航天领域零件的材料普遍难加工，且零件一般都具备复杂几何特征。常规的铸造、精铣以及磨抛等制造工艺由于其流程繁琐、效率低下、制造成本高、数字化程度低、环境污染严重的问题，已很难满足目前随航空航天领域发展而日益提高的制造要求。虽然已有多轴数控加工技术被应用于航空复杂零件制造领域，但是，针对小型数控五轴机床仍存在一些问题，其转台传动一般采用蜗轮蜗杆或带传动等传动方式，造成传动精度较低、传动累计误差较大的问题。专利cn103273329a中公开了一种五轴数控机床，由于其结构特点导致其在难加工材料的加工过程中出现刚性差、易受温度变化影响、难以保证形位精度等问题，很难满足复杂零件的超精密加工要求。
4.为了降低加工过程中的刀具磨损、切削热、切削力、抑制颤振并提高零件的加工质量，已将超声振动加工引用到零件加工过程中。目前，超声振动加工常采用在工件一端施加一维或二维超声振动的方式实现，但是，施加在工件方向的超声振动方式存在一定的缺陷，如专利cn104624463a中公开的一种二维超声振动平台，该平台受工件几何特征及重量的影响较大，随着加工过程的进行，材料的去除将使得该平台超声振动频率和振幅发生改变，从而影响加工质量。由于将超声振动施加于工件导致其在加工过程中需保证刀具法矢的固定，但在多轴加工中，刀具法矢往往是实时变化的，因此，将超声振动施加于工件的方式造成了加工设备的局限性，这种方式并不适用于多轴加工从而导致难以保证零件加工精度。
5.对加工零件的形位检测可以最大程度的保证其加工精度，并运用于后续的补偿加工中。但是，现有的零件形位检测多采用离线检测的方式，该方式需将工件拆下后送检，从而造成二次装夹产生定位误差，该误差将使得检测结果的可信度降低，并对后续的余量标定以及精密加工造成精度影响。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种集成原位测量的五轴超声
纵扭铣削加工机床，其体积小、集成化程度高、精度高、能够实现难加工零部件的精密制造，能够保证难加工材料加工过程中机床的整体刚度，以此减小加工过程中由于机床变形导致的加工误差，能够有效改善难加工材料加工过程中的表面质量。
7.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
8.一种集成原位测量的五轴超声纵扭铣削加工机床，包括防护外壳以及设置于防护外壳内部的床身，
9.所述床身设置有带动工件沿y轴移动的y轴直线进给系统以及带动主轴系统沿z轴移动的z轴直线进给系统；
10.所述y轴直线进给系统的顶部依次连接x轴直线进给系统和a轴旋转进给系统，所述a轴旋转进给系统设置有c轴旋转进给系统，c轴旋转进给系统的顶部放置工件；
11.所述主轴系统与原位测量系统或超声纵扭铣削系统连接。
12.进一步的，所述y轴直线进给系统、z轴直线进给系统和x轴直线进给系统均采用滚珠丝杠结构。
13.进一步的，所述y轴直线进给系统、x轴直线进给系统和z轴直线进给系统均包括伺服电机以及与伺服电机连接的精密滚珠丝杠，所述精密滚珠丝杠外通过传动螺母套装有螺母座；所述y轴直线进给系统的螺母座固定连接有用于安装x轴直线进给系统的y轴滑鞍；所述x轴直线进给系统的螺母座固定连接有用于安装a轴旋转进给系统的x轴工作台；所述z轴直线进给系统的螺母座固定连接有主轴系统。
14.优选的，所述z轴直线进给系统通过立柱固设于所述床身，所述床身和立柱均采用树脂矿物复合材料，树脂矿物复合材料轻质量、热稳定性好、高阻尼、高耐磨，是一种绿色新型材料，对于机床在加工过程中的振动具有显著的抗振效果，很好的保证机床的加工精度。
15.优选的，所述床身设置有y轴导轨冷却管路，用于对床身靠近y轴滑鞍的导轨部分进行冷却；所述y轴滑鞍设置有x轴导轨冷却管路，用于对y轴滑鞍进行冷却。
16.进一步的，所述主轴系统包括主轴箱以及固定于所述主轴箱底部的电主轴，所述主轴箱上安装有z轴导轨冷却管路，用于对主轴箱进行冷却。
17.进一步的，所述原位测量系统包括红外通讯测头和红外接收器，所述红外通讯测头与电主轴连接，所述红外接收器固定在防护外壳上，所述红外通讯测头位于红外接收器
‑
60
°
～60
°
的张角范围内。
18.进一步的，所述超声纵扭铣削系统包括超声振动刀柄、超声波发射架和超声电源，所述超声振动刀柄与电主轴连接，所述超声波发射架的一端固定在电主轴上，另一端套在超声振动刀柄的超声波接收端上，所述超声电源与超声波发射架电连接，通过超声波发射架，将超声电源产生的高频率电能基于无线传输的方式传递给超声振动刀柄。
19.进一步的，所述a轴旋转进给系统包括a轴伺服电机，所述a轴伺服电机的输出轴通过a轴谐波减速器与a轴摇篮的一端连接，所述a轴摇篮的另一端与右侧u型座转动连接，所述右侧u型座通过底板固定于所述x轴工作台的顶部。
20.进一步的，所述c轴旋转进给系统包括与所述a轴摇篮底部固接的c轴伺服电机，所述c轴伺服电机的输出轴通过c轴谐波减速器与法兰盘连接，所述法兰盘用于与工件连接。
21.进一步的，所述集成原位测量的五轴超声纵扭铣削加工机床还包括微量润滑系统，所述微量润滑系统上的喷嘴置于工件的待加工区域，本发明将微量润滑系统集成在机
床上，通过机床设定的程序可以实现在加工过程中某些特定的时间向工件喷射微量润滑液，通过程序控制喷射量和喷射时间，改善零件的加工质量和加工效率。
22.本发明的有益效果：
23.1)本发明的体积小、集成化程度高、精度高，能够实现航空难加工材料零部件的精密制造。
24.2)本发明通过y轴导轨冷却管路、x轴导轨冷却管路和z轴导轨冷却管路在导轨内部实现冷却循环，以最快的速度实现导轨的快速降温，提高加工效率和加工精度，克服了机床在实际加工中由于导轨的热变形进而影响零件的加工精度的问题。
25.3)本发明的摇篮式转台采用谐波减速器实现零间隙传动，相较于传统的蜗轮蜗杆传动及带传动等传动方式，可实现更高的定位精度，此外，针对摇篮式转台的可拆装特点，机床可针对不同加工要求实现三轴铣削加工和五轴铣削加工。
26.4)本发明为集成原位测量、超声纵扭铣削系统和微量润滑技术的一体化系统，实现面向复杂曲面薄壁件加工过程中的形位误差在线测量，降低切削力、切削温度和刀具磨损，实现绿色制造，克服了传统三坐标测量仪无法实现复杂曲面薄壁件的形位误差测量，超声振动工作台和纯纵向振动等方式在多轴铣削加工中的不足，以及传统切削液消耗量大、对人体和环境危害大等问题。
27.5)本发明可结合待加工工件的特点，实现普通铣削以及超声纵扭振动加工，并在加工完成后通过搭载的原位测量系统实现工件的在线形位精度检测，同时，本发明所集成的微量润滑系统可在铣削加工过程中改善润滑条件，减小刀具磨损并实现绿色加工。
28.本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。
附图说明
29.图1是本发明实施例提供的一种集成原位测量的五轴超声纵扭铣削加工机床的外部结构示意图；
30.图2是本发明实施例提供的一种集成原位测量的五轴超声纵扭铣削加工机床的内部结构示意图；
31.图3是本发明实施例提供的c轴旋转进给系统和a轴旋转进给系统的结构示意图；
32.图4是本发明实施例提供的y轴直线进给系统的结构示意图；
33.图5是本发明实施例提供的x轴直线进给系统的结构示意图；
34.图6是本发明实施例提供的z轴直线进给系统的结构示意图；
35.图7是本发明实施例提供的主轴系统和原位测量系统的安装示意图；
36.图8是本发明实施例提供的超声波发射架的结构示意图。
37.说明书附图中的附图标记包括：
[0038]1‑
防护外壳，2
‑
c轴旋转进给系统，3
‑
a轴旋转进给系统，4
‑
床身，5
‑
x轴直线进给系统，6
‑
y轴直线进给系统，7
‑
z轴直线进给系统，8
‑
主轴系统，9
‑
微量润滑系统，10
‑
超声纵扭铣削系统，11
‑
c轴电机外防护，12
‑
a轴摇篮，13
‑
c轴伺服电机，14
‑
c轴谐波减速器，15
‑
法兰盘，16
‑
左侧u型座，17
‑
a轴伺服电机，18
‑
a轴谐波减速器，19
‑
右侧u型座，20
‑
轴承四，21
‑
底板，22
‑
y轴伺服电机，23
‑
y轴电机座，24
‑
联轴器一，25
‑
y轴精密滚珠丝杠，26
‑
y轴螺母座，27
‑
y轴传动螺母，28
‑
轴承座一，29
‑
轴承一，30
‑
x轴工作台，31
‑
联轴器二，32
‑
x轴电机座，
33
‑
x轴伺服电机，34
‑
x轴精密滚珠丝杠，35
‑
x轴螺母座，36
‑
x轴传动螺母，37
‑
y轴滑鞍，38
‑
轴承二，39
‑
轴承座二，40
‑
z轴伺服电机，41
‑
立柱，42
‑
z轴电机座，43
‑
联轴器三，44
‑
z轴精密滚珠丝杠，45
‑
z轴传动螺母，46
‑
z轴螺母座，47
‑
轴承三，48
‑
轴承座三，49
‑
主轴箱，50
‑
原位测量系统，51
‑
红外通讯测头，52
‑
红外接收器，53
‑
法兰，54
‑
电主轴，55
‑
超声振动刀柄，56
‑
超声波发射架，57
‑
超声电源，58
‑
喷嘴，59
‑
y轴导轨冷却管路，60
‑
x轴导轨冷却管路，61
‑
z轴导轨冷却管路，62
‑
大环，63
‑
小环。
具体实施方式
[0039]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0040]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“一”、“二”、“三”、“四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0041]
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0042]
为了解决现有技术存在的问题，如图1至图8所示，本发明提供了一种集成原位测量的五轴超声纵扭铣削加工机床，包括防护外壳1以及设置于防护外壳1内部的床身4，
[0043]
床身4设置有带动工件沿y轴移动的y轴直线进给系统6以及带动主轴系统8沿z轴移动的z轴直线进给系统7；
[0044]
y轴直线进给系统6的顶部依次连接x轴直线进给系统5和a轴旋转进给系统3，a轴旋转进给系统3设置有c轴旋转进给系统2，c轴旋转进给系统2的顶部放置工件；
[0045]
主轴系统8与原位测量系统50或超声纵扭铣削系统10连接。
[0046]
如图1和图2所示，本发明的加工机床包括防护外壳1、床身4、y轴直线进给系统6、x轴直线进给系统5、a轴旋转进给系统3、c轴旋转进给系统2、z轴直线进给系统7、超声纵扭铣削系统10、原位测量系统50、主轴系统8和微量润滑系统9。x轴直线进给系统5、y轴直线进给系统6、z轴直线进给系统7、a轴旋转进给系统3和c轴旋转进给系统2组成五轴传动系统，x轴直线进给系统5、y轴直线进给系统6、z轴直线进给系统7通过伺服单元驱动，三轴传动模块内部设置有丝杠螺母副实现联动进给，ac轴摇篮式转台通过固定装置固定在铣削加工工作台上。
[0047]
如图4至图6所示，y轴直线进给系统6、z轴直线进给系统7和x轴直线进给系统5均采用滚珠丝杠结构。y轴直线进给系统6、x轴直线进给系统5和z轴直线进给系统7均包括伺服电机以及与伺服电机连接的精密滚珠丝杠，精密滚珠丝杠外通过传动螺母套装有螺母座；y轴直线进给系统6的螺母座固定连接有用于安装x轴直线进给系统5的y轴滑鞍37；x轴直线进给系统5的螺母座固定连接有用于安装a轴旋转进给系统3的x轴工作台30；z轴直线
进给系统7的螺母座固定连接有主轴系统8。，z轴直线进给系统7通过立柱41固设于床身4，床身4和立柱41均采用树脂矿物复合材料，对于机床在加工过程中的振动具有显著的抗振效果，很好的保证机床的加工精度。
[0048]
本实施例中，床身4上安装有y轴直线进给系统6以及y轴导轨冷却管路59，y轴直线进给系统6包括通过轴承一29及轴承座一28进行支撑固定并沿y轴方向设置的y轴精密滚珠丝杠25，y轴精密滚珠丝杠25的输入端通过联轴器一24连接有固定在y轴电机座23上的y轴伺服电机22，y轴精密滚珠丝杠25的输出端与y轴传动螺母27连接并驱动其运动，y轴传动螺母27与y轴螺母座26连接，y轴螺母座26与y轴滑鞍37固定连接并驱动其运动，实现带动工件沿着y轴方向移动。
[0049]
本实施例中，y轴滑鞍37上安装有x轴直线进给系统5以及x轴导轨冷却管路60，x轴直线进给系统5包括通过轴承二38及轴承座二39进行支撑固定并沿x轴方向设置的x轴精密滚珠丝杠34，x轴精密滚珠丝杠34的输入端通过联轴器二31连接有固定在x轴电机座32上的x轴伺服电机33，x轴精密滚珠丝杠34的输出端与x轴传动螺母36连接并驱动其运动，x轴传动螺母36与x轴螺母座35固定连接，x轴螺母座35与x轴工作台30固定连接并驱动其运动，实现带动工件沿着x轴方向移动。
[0050]
本实施例中，床身4中固定有竖直设置的立柱41，立柱41上安装有z轴直线进给系统7，z轴直线进给系统7包括通过轴承三47及轴承座三48进行支撑固定并沿z轴方向设置的z轴精密滚珠丝杠44，z轴精密滚珠丝杠44的输入端通过联轴器三43连接有固定在z轴电机座42上的z轴伺服电机40，z轴精密滚珠丝杠44的输出端与z轴传动螺母45连接并驱动其运动，z轴传动螺母45与z轴螺母座46固定连接，z轴螺母座46与主轴箱49固定连接实现其同步运动，主轴箱49上安装有z轴导轨冷却管路61。
[0051]
优选的，床身4设置有y轴导轨冷却管路59，用于对床身4靠近y轴滑鞍37的导轨部分进行冷却；y轴滑鞍37设置有x轴导轨冷却管路60，用于对y轴滑鞍37进行冷却。
[0052]
如图7所示，主轴系统8包括主轴箱49以及固定于主轴箱49底部的电主轴54，主轴箱49上安装有z轴导轨冷却管路61，用于对主轴箱49进行冷却。
[0053]
本发明中，由于机床的热误差占机床总误差的25％
‑
35％左右，通过y轴导轨冷却管路59、x轴导轨冷却管路60和z轴导轨冷却管路61进行冷却，具体的，y轴导轨冷却管路59、x轴导轨冷却管路60和z轴导轨冷却管路61中的冷却介质为7#冷却油，通过现有的油冷机实现冷却循环，以减小误差。
[0054]
本实施例中，主轴箱49底面通过法兰53固定电主轴54，电主轴54搭载原位测量系统50和超声纵扭铣削系统10。主轴系统8由电主轴54和主轴箱49组成，实际使用时，可以根据防护需要设置主轴箱外防护罩，主轴系统通过燕尾导轨实现与立柱41的配合，并由丝杠螺母副单元实现与五轴传动系统的联动。
[0055]
进一步的，原位测量系统50包括红外通讯测头51和红外接收器52，红外通讯测头51与电主轴54连接，红外接收器52固定在防护外壳1上，红外通讯测头51位于红外接收器52
‑
60
°
～60
°
的张角范围内。
[0056]
本实施例中，红外通讯测头51通过拉钉与电主轴54连接，红外接收器52通过磁铁固定在防护外壳1内壁上，通过集成接触式红外通讯测头51和红外接收器52，实现面向复杂曲面薄壁件加工过程中的形位误差测量反馈，提高复杂曲面薄壁件的测量精度，克服了传
统三坐标测量仪无法实现复杂曲面薄壁件的形位误差测量的问题。
[0057]
如图8所示，超声纵扭铣削系统10包括超声振动刀柄55、超声波发射架56和超声电源57，超声振动刀柄55与电主轴54连接，超声波发射架56的一端固定在电主轴54上，另一端套在超声振动刀柄55的超声波接收端上，超声电源57与超声波发射架56电连接，通过超声波发射架56，将超声电源57产生的高频率电能基于无线传输的方式传递给超声振动刀柄55。具体的，超声波发射架56包括大环62和小环63，大环62套在电主轴54上固定，小环63套在超声振动刀柄55上，但小环63和超声振动刀柄55不接触。
[0058]
本实施例中，超声振动刀柄55通过拉钉与电主轴54连接，超声波发射架56直径大的一端固定在电主轴54上，另一端以非接触的方式套在超声振动刀柄55的超声波接收端上，超声电源57通过线缆与超声波发射架56连接，通过集成磁感应式超声振动刀柄55，实现面向航空复杂薄壁件的难加工材料的多维超声纵扭铣削加工，具有降低平均切削力、减小切削热、降低刀具磨损、形成规则表面纹理等优势，解决了超声振动工作台和纯纵向振动等方式在多轴铣削加工中的局限性。本实施例中，超声振动刀柄55采用bt30刀柄。
[0059]
如图3所示，a轴旋转进给系统3包括a轴伺服电机17，a轴伺服电机17的输出轴通过a轴谐波减速器18与a轴摇篮12的一端连接，a轴摇篮12的另一端与右侧u型座19转动连接，右侧u型座19通过底板21固定于x轴工作台30的顶部。
[0060]
本实施例中，a轴旋转进给系统3中，c轴电机外防护11固接于左侧u型座16对电机进行保护；a轴伺服电机17的法兰与左侧u型座16固定连接，其输出轴驱动与左侧u型座16固定连接的a轴谐波减速器18实现零间隙传动减速；a轴谐波减速器18的输出端与a轴摇篮12固定连接进而实现工件的前后摆动；右侧u型座19通过与其固连的轴承四20对a轴摇篮12起到支撑作用；其中，左侧u型座16和右侧u型座19与底板21固定连接，底板21与x轴工作台30固定连接进而实现同步运动。
[0061]
如图3所示，c轴旋转进给系统2包括与a轴摇篮12底部固接的c轴伺服电机13，c轴伺服电机13的输出轴通过c轴谐波减速器14与法兰盘15连接，法兰盘15用于与工件连接。
[0062]
本实施例中，c轴旋转进给系统2中，c轴电机外防护11固接于a轴摇篮12对电机进行保护；c轴伺服电机13的法兰与a轴摇篮12连接，其输出轴驱动与a轴摇篮12固连的c轴谐波减速器14实现零间隙传动减速；c轴谐波减速器14的输出端与法兰盘15固定连接进而实现工件的旋转运动。
[0063]
本发明中，集成原位测量的五轴超声纵扭铣削加工机床还包括微量润滑系统9，微量润滑系统9上的喷嘴58置于待加工区域，通过采用微量润滑系统9，融合干式铣削和湿式铣削两者优势，改善零件超声振动加工过程中冷却润滑条件，使刀具、工件和切屑之间的磨损显著减小，有助于降低切削力、切削温度和刀具磨损，实现绿色制造，克服了传统切削液消耗量大、对人体和环境危害大等问题。
[0064]
本发明一种集成原位测量的五轴超声纵扭铣削加工机床的工作过程：
[0065]
将工件夹持固定在法兰盘15上，通过x轴直线进给系统5实现工件在x方向移动，通过y轴直线进给系统6实现工件在y轴方向移动，通过z轴直线进给系统7实现主轴系统8在z轴方向移动，通过a轴旋转进给系统3实现工件在a方向摆动运动，通过c轴旋转进给系统2实现工件在c轴方向旋转运动；
[0066]
将超声振动刀柄55通过拉钉连接到电主轴54上，开启超声电源57开关通过超声波
发射架56基于无接触电能传输原理，实现超声振动刀柄55纵扭振动；开启电主轴54，使得超声振动刀柄55开始旋转，通过工件与超声振动刀柄54的相对运动，实现工件材料的去除；在工件切除的同时，利用微量润滑系统9实现微量润滑加工；
[0067]
在加工过程中，通过x轴导轨冷却管路60实现对x轴导轨冷却，通过y轴导轨冷却管路59实现对y轴导轨冷却，通过z轴导轨冷却管路61实现对z轴导轨冷却；
[0068]
在加工完成后，将超声振动刀柄55卸下，在电主轴上安装红外通讯测头51，通过原位测量系统50对加工后工件表面的坐标点进行在位测量。
[0069]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。