专利名称：一种五轴联动卧式加工中心机床的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械制造设备，即一种用于钛合金等难加工材料复杂型面航空结构件 高效、高精度加工的五轴联动卧式加工中心机床。
背景技术：
近年来，随着航空航天行业的迅速发展，市场上对飞机的需求量越来越大，对现代 飞机的性能要求也越来越高，钛合金以比其强度高、机械性能好和耐腐蚀性能强等特点在 现代飞机上的应用越来越广泛，尤其在高性能战斗机中，钛合金所占的比例已超过40 %。钛 合金属于难加工材料，在实际加工中存在切削力大，导热率低，摩擦力大，易形成表面硬层 等问题。同时，现代航空结构件多采用整体毛坯加工方式，零件去除率大，结构复杂，多薄 壁、空穴、沟槽，且对零件的尺寸精度和表面质量要求越来越高。随着钛合金在现代飞机上 所占比重的不断增加，钛合金航空结构件的数控加工质量和加工效率对航空制造企业的影 响也越来越大。目前在钛合金航空结构件加工方面，传统加工方法采用低速、大扭矩机床， 低转速、大切深的方式加工，加工效率极为低下。随着钛合金在航空结构件中的大量应用， 钛合金航空结构件的加工效率问题将成为制约现代飞机研制、生产的瓶颈。因此，如何实现 钛合金航空结构件的高效、高精度加工成为国内、外航空制造企业的一项难题。钛合金航空结构件加工机床多为五轴联动数控机床，而能满足此要求的国产五轴 联动数控机床极为鲜见，且主要为立式五轴加工中心机床，加工效率较低。采用卧式五轴 加工中心加工航空结构件比采用立式五轴加工中心排屑方便、迅速，有利于提高航空结构 件的加工质量；对某些板类航空结构件，可实现在一台机床上通过一次装夹，完成多个工件 的加工，提高工件的加工效率；配置交换工作台可实现多工位加工并组建柔性生产线，提高 设备利用率。因此卧式五轴加工中心更适合钛合金航空结构件的高效、高精度加工。目前 国内还没有厂家生产用于加工钛合金航空结构件的卧式五轴加工中心，用户只能从国外进 口，价格非常昂贵，供货期长，且购买经常受到限制。因此，开发此类机床对国内机床制造企 业来说已经迫在眉睫。卧式五轴加工中心根据其两个旋转轴的布置方式可以分为3种基本结构一为两 个旋转轴都在主轴端的双摆头卧式五轴加工中心，此结构为满足钛合金加工对大切削力、 大扭矩的需求，摆头的结构尺寸一般设计得比较大，结构也比较复杂，导致摆头和主轴悬伸 长，刚性差，主轴卧式加工时问题尤其突出；二为两个旋转轴都在工作台端的双摆台卧式五 轴加工中心，此结构的优点是主轴结构比较简单，主轴刚性非常好，但一般工作台不能设计 得太大，承重也较小，否则摆动负载较大，动态性能大大降低，特别是当A轴(转台摆动轴) 摆动大于90°时，切削工件时会对工作台产生很大的承载力矩；三为主轴端和工作台端各 布置一个旋转轴的单摆头配回转工作台结构的卧式五轴加工中心，此结构的优、缺点为前 两种结构优、缺点的折衷，适合于同时要求高刚性和高动态性能的中、大型零件的加工，而 钛合金航空结构件多为中、大型零件，且要求高刚性、大扭矩加工和高效加工，特别适合采 用第三种结构的五轴联动卧式加工中心。
发明内容
本发明的目的是提供一种五轴联动卧式加工中心机床，满足国内航空航天行业对 钛合金航空结构件高效、高精度加工设备的需求。五轴联动卧式加工中心机床，其床身包括横床身1和纵床身2，其特征在于横、纵 床身呈T型布置，回转工作台在横床身上左右运动为X轴运动，立柱在纵床身上前后运动为 Z轴运动，摆头带动主轴在立柱上上下运动为Y轴运动，主轴绕X轴轴线摆动为A轴运动，回 转工作台绕Y轴轴线转动为B轴运动，X轴、Y轴、Z轴、A轴和B轴可实现五轴联动加工；机 床A轴(单摆头)具有大摆角范围-120° +95°，横床身前方配有双交换工作台、纵床身 右侧设置刀库及换刀机械手，机床还设置刀具测量和工件测量装置，进行刀具断裂检测、刀 具尺寸测量和工件加工尺寸的自动在线检测；移动立柱为正面和侧面双向变截面结构。本发明的五轴联动卧式加工中心与立式五轴加工中心加工钛合金航空结构件相 比，排屑方便、迅速，减少了切屑在工件上停留的时间，从而减小了切屑给工件带来的热变 形，有利于提高工件的加工精度；对于某些板类、框类航空结构件，可分别装夹在固定在机 床工作台上的方形夹具的4个立面上，在一台机床上通过一次装夹，可完成最多4个工件 的加工，从而大大提高了工件的加工效率；该机床配置交换工作台可实现多工位加工并组 建柔性生产线，以提高设备利用率。该机床与双摆头及双摆台结构的卧式五轴加工中心机 床相比，兼具足够的主轴刚性和较高的动态性能，更适合对中、大型钛合金航空结构件的高 效、高精度加工。机床A轴(单摆头)具有215°大摆角范围(-120° +95° )，可实现较 大的加工范围，具有较高的加工柔性，可满足对大范围的具有各种形状复杂曲面零件的加 工。机床移动立柱采用优化的双向变截面结构，以最大限度地降低其重心，减轻其重量，提 高其刚度质量比，从而提高其运动速度、加速度和动态性能，实现高效加工。
图1为本发明机床的立体结构示意图。图2为本发明机床A轴摆角范围示意图。图3为本发明机床移动立柱的立体结构示意图。图4为本发明机床移动立柱外形结构的正视图。图5为本发明机床移动立柱外形结构的侧视图。
具体实施例方式本发明的五轴联动卧式加工中心机床，立体结构如图1所示，横床身1与纵床身2 通过螺钉连接在一起，呈T字型结构布置。对称布置在横床身1上的两个X轴驱动伺服电 机19和20通过滚珠丝杠21和22驱动工作台滑座3，带动工作台滑座3上设置的工作台 回转座4和工作台5在横床身1上左右运动，为X轴运动。立柱6的底部与平行的滚珠丝 杠25和沈垂直安置，对称布置在纵床身2上的两个Z轴驱动伺服电机23和M通过滚珠 丝杠25和沈驱动立柱6在纵床身2上前后运动，为Z轴运动。布置在立柱6前立面滚珠 丝杠洲上的摆头座7由Y轴驱动伺服电机27驱动在立柱上上下运动，为Y轴运动；摆头座 7上的A轴驱动伺服电机四驱动主轴箱8，带动主轴9在摆头座7内绕X轴轴线摆动，为A轴运动。B轴驱动伺服电机30驱动工作台回转座4，带动工作台5在工作台滑座3内绕Y 轴轴线转动，为B轴运动。机床纵床身2右侧面配置刀库10，刀库10与主轴9之间配置换刀机械手臂11，其 从主轴9中拔出使用过的刀具，并插入新刀具，实现刀具的自动交换。机床横床身1前方配置双交换工作台左交换工作台12和右交换工作台13，左交 换工作台12(或右交换工作台13)将持有已加工完毕的工件的工作台从加工区(工作台回 转座4上)拉到左交换工作台12 (或右交换工作台1 上，右交换工作台13 (或左交换工 作台12)将持有待加工工件的工作台从右交换工作台13 (或左交换工作台12)上推到加工 区(工作台回转座4上)，实现工作台和工件的自动交换，以缩短加工辅助时间，提高工件的 加工效率。在机床横床身1上左右对称配置分体式激光刀具测量装置14、15，可实现对机床 刀具长度和直径尺寸的测量，并将测量值自动记入机床刀具数据表中，为刀具尺寸参数补 偿提供数据；该装置还可用于刀具破损检测，在刀具破损时报警停机，降低工件的报废率。机床配有工件测量装置，工件加工完成后，由换刀机械手臂11从刀库10中取出工 件测头16，并将其插入主轴9中，由主轴9带动工件测头16，对工件进行在线尺寸测量。这 样，通过一次装夹即可完成工件的加工和检测，提高了零件的制造效率。图2为本发明机床A轴摆角范围示意图，主轴以水平状态为零点，可绕X轴轴线向 下摆动120°，向上摆动95°，即机床A轴具有215°大摆角范围，以实现较大的加工范围和 较高的柔性，用以满足对大范围的各种复杂曲面零件的加工要求。图3所示的双向变截面立柱，在立柱设计过程中，通过有限元分析软件对其静态 性能和动态性能进行反复地有限元分析，并针对分析结果，找出结构的薄弱环节，进行修 改，最终获得的立柱外形和结构既具有足够的静刚度，又具有尽可能轻的重量和低的重心， 以获得较高的动态性能。最终得到的立柱6的形状优化为“上窄下宽”双向变截面结构，一 是从正面方向看，立柱正面内边缘是平行直边，安置导轨，正面左右外边缘为对称的上窄下 宽，见图4，立柱顶部宽度dl与底部宽度d2之间的比值约为0. 7，其变截面拐点处的截面 0-0到立柱顶端的垂直距离d3与截面0-0到立柱底端的垂直距离d4之间的比值约为1. 5， 立柱下部右侧轮廓斜面与立柱右侧垂直面之间的夹角值为10°，其从截面0-0与立柱上部 右侧垂直面的交线处开始沿斜面向下延伸，直至与立柱下部右侧垂直面相交为止；二是从 侧面方向看，见图5中侧面立柱的右侧即图4中立柱的后侧，立柱左侧边缘即是安装导轨的 正面，是垂直于上、下端的，立柱的后侧边缘的大部为由窄到宽渐变线，立柱6后侧顶部宽 度d5与底部宽度d6之间的比值约为0. 7，从立柱后侧顶端开始沿斜面向下延伸，直至与立 柱下部后侧垂直面相交为止，立柱后侧的轮廓斜面与同侧垂直面之间的夹角值为5°。立柱 下部后侧垂直面交点低于立柱正面的截面0-0点。
权利要求
1.一种五轴联动卧式加工中心机床，其床身包括横床身(1)和纵床身O)，其特征在 于横床身(1)与纵床身(2)呈T型布置，安置Y轴的立柱(6)置于对称布置在纵床身(2) 的两Z轴导轨上，由纵床身( 上的两个Z轴驱动伺服电机(23、24)分别通过滚珠丝杠05、 26)驱动，为Z轴运动；安置在横床身(1)上的工作台滑座(3)，由横床身(1)上的两个X轴 驱动伺服电机(19、20)分别通过对称布置的滚珠丝杠(21、2幻驱动，在横床身(1)上左右 运动，为X轴运动；布置在立柱(6)上的摆头座(7)由Y轴驱动伺服电机07)通过滚珠丝杠 (28)驱动，在立柱上上下移动，为Y轴运动；内装主轴(9)的主轴箱(8)设置在摆头座(7) 的中部，由A轴驱动伺服电机09)驱动，绕X轴轴线摆动，为A轴运动；工作台回转座(4) 由B轴驱动伺服电机(30)驱动，带动其上的工作台(5)绕Y轴轴线转动，为B轴运动；工作 台回转座(4)在工作台滑座C3)之上随之沿X轴运动；横床身1前方设有交换工作台(12、 13)，实现两个工作台的自动交换；纵床身(2)侧面设有刀库(10)和换刀机械手臂(11)，实 现刀具的自动交换；横床身(1)上设有刀具测量装置(14、15)，用来进行刀具断裂检测及刀 具尺寸的精确测量，为刀具尺寸参数补偿提供数据；横床身(1)两侧对称布置两台链式排 屑器(17、18)；机床移动立柱(6)为双向变截面结构。
2.根据权利要求1所述的五轴联动卧式加工中心机床，其特征在于主轴以水平状态为 零点，可绕X轴轴线向下摆动120°，向上摆动95°，即机床A轴具有215°的大摆角范围。
3.根据权利要求1所述的五轴联动卧式加工中心机床，其特征在于机床移动立柱(6) 的双向变截面结构外形正面方向左右外边缘对称上窄下宽、侧面方向的后侧边缘从上至 下部的大部为由窄到宽渐变线，与正面渐变线重合后的下部等宽至底边。
4.根据权利要求3所述的五轴联动卧式加工中心机床，其特征在于机床移动立柱(6) 正面顶部宽度dl与底部宽度d2之间的比值约为0. 7，其变截面拐点处的截面0-0到立柱顶 端的垂直距离d3与截面0-0到立柱底端的垂直距离d4之间的比值约为1. 5，立柱下部斜面 轮廓侧与立柱对称内侧垂直边缘之间的夹角值为10°，其从截面0-0与立柱上部左侧垂直 面的交线处开始沿斜面向下延伸，直至与立柱下部左侧垂直面相交为止；立柱下部右侧轮 廓斜面与立柱右侧垂直面之间的夹角值为10°，其从截面0-0与立柱上部右侧垂直面的交 线处开始沿斜面向下延伸，直至与立柱下部右侧垂直面相交为止；立柱的后侧边缘的大部 为由窄到宽渐变线，立柱(6)后侧顶部宽度d5与底部宽度d6之间的比值约为0.7，从立柱 后侧顶端开始沿斜面向下延伸，直至与立柱下部后侧垂直面相交为止，立柱后侧的轮廓斜 面与同侧垂直面之间的夹角值为5°。立柱下部后侧垂直面交点低于立柱正面的截面0-0 点。
全文摘要
五轴联动卧式加工中心机床，其床身包括横床身和纵床身，其特征在于横、纵床身呈T型布置，回转工作台在横床身上左右运动为X轴运动，立柱在纵床身上前后运动为Z轴运动，摆头带动主轴在立柱上上下运动为Y轴运动，主轴绕X轴轴线摆动为A轴运动，回转工作台绕Y轴轴线转动为B轴运动，X轴、Y轴、Z轴、A轴和B轴可实现五轴联动加工；A轴单摆头具有大摆角范围-120°～+95°，横床身前方配有双交换工作台、纵床身右侧设置刀库及换刀机械手，还设置刀具测量和工件测量装置；移动立柱为正面和侧面的双向变截面结构。适合对中、大型钛合金航空结构件的高效、高精度加工。满足国内航空航天行业对钛合金航空结构件高效、高精度加工设备的需求。
文档编号B23Q3/00GK102091942SQ20101061381
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者侯延星, 刘春时, 化春雷, 周树藩, 崔欣平, 张传思, 张健, 张凯, 徐兆成, 徐吉存, 戚远大, 李焱, 楚文龙, 罗和平, 赵雷, 闫海, 韩佳伟, 马云鹏 申请人:中捷机床有限公司