一种用于加工开口式薄壁类工件的铣钻复合数控机床

1.本发明属于机械加工的技术领域，特别涉及一种用于加工开口式薄壁类工件的铣钻复合数控机床。


背景技术：

2.支架类零件是机械产品中常用的典型零件之一，支架类零件作为车辆中的关键连接件，主要起支撑定位功能。形状特别其一般均具有一个开口、加工要求复杂一般都需要从多个方向进行加工、孔多、壁薄、精度高、加工易变形、装夹次数多。用普通机床加工时，需要多道工序、采用不同的夹具和设备以实现多个方向的零件加工，同时普通机床不能实现钻铣工序的连续性，并需要在两台机床上分别进行完成，不能连续对零件加工，浪费大量时间，也浪费人力资源，从而导致产品周期长，效率低。
3.如图1所示的本支架在制造过程中，根据流水线加工要求，分配到本工序的加工内容有：铣小端两侧两组面，钻一组φ17双层孔，钻2组φ18孔，钻2组φ17孔；加工余量不大于3mm；单件加工时间6min。


技术实现要素：

4.为解决以上问题，本发明提出了一种用于加工开口式薄壁类工件的铣钻复合数控机床，通过有序高效的钻铣加工，缩短了加工时间，提高了工作效率，获得了更高的经济效益。
5.为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种用于加工开口式薄壁类工件的铣钻复合数控机床，进一步的，包括机架、移动工作台、装夹机构、立式钻孔机构、卧式铣削机构和水平钻孔机构；其中，所述移动工作台安装在机架上；所述移动工作台包括安装台和传动单元；所述安装台连接在所述传动单元上，所述传动单元带动所述安装台在所述机架上沿x轴做往复运动；所述装夹机构安装在所述安装台上，用于装夹所述工件；所述工件包括多个水平薄壁、多个竖直薄壁和主要由两个薄壁组成的开口处；所述装夹机构包括夹具底座、夹紧单元、限位单元和支撑单元；其中，所述夹紧单元安装在所述夹具底座上；所述夹紧单元包括与所述工件的水平薄壁分别点接触的第一压板、第二压板和第三压板；所述第一压板、第二压板和第三压板与所述水平薄壁的三个接触点在水平面上呈三角形；所述限位单元安装在所述夹具底座上，所述限位单元抵靠在所述工件的竖直薄壁上；所述支撑单元伸入所述工件的开口处，支撑开口处的两个薄壁；立式钻孔机构，安装在机架的一端；用于从z轴方向加工钻孔；卧式铣削机构，安装在所述立式钻孔机构下游端；所述卧式铣削机构设置有多个，以x轴对称安装在所述机架两侧，用于以z轴为进给方向进行端面铣削；水平钻孔机构，固定安装在所述卧式铣削机构下游端；水平钻孔机构设置有多个，
以x轴对称安装在所述机架两侧，用于从y轴方向加工钻孔。
6.进一步的，所述移动工作台两侧均设置有螺旋排屑器，所述螺旋排屑器位于所述立式钻孔机构、所述卧式铣削机构和所述水平钻孔机构下方，用于收集加工所述工件的废屑并排出。
7.进一步的，所述立式钻孔机构，包括第一立柱、第二立柱、龙门式伺服滑台和钻头；其中，所述第一立柱和所述第二立柱对称安装于所述移动工作台的两侧；所述龙门式伺服滑台设置在所述第一立柱和所述第二立柱之间，位于所述移动工作台上方；所述钻头安装在龙门式伺服滑台上；所述龙门式伺服滑台带动所述钻头做z轴上下移动。
8.进一步的，所述立式钻孔机构还包括活动钻套，所述活动钻套设置在所述钻头下方；所述活动钻套包括伸缩组件、钻孔导块和检测单元；其中，所述钻孔导块安装在所述伸缩组件的活动端，所述钻孔导块沿水平方向做直线滑动；所述钻孔导块包括支撑板和导向孔，所述支撑板伸入所述工件的需钻孔的薄壁上方；所述导向孔开设在支撑板上，所述导向孔内安装有钻套；所述检测单元，检测所述钻孔导块的位移位置。
9.进一步的，所龙门式伺服滑台与所述钻头之间设置有调整单元，用于调整钻头安装的左右位置；所述调整单元设置在龙门式伺服滑台上；所述调整单元包括调整槽和调整滑块；其中，所述调整槽开设在龙门式伺服滑台用于安装钻头的安装面上；所述调整槽沿水平方向开设；所述调整滑块滑动安装在所述调整槽上，调整滑块设有两个，分别设置在所述钻头的左右两侧。
10.进一步的，卧式铣削机构设置有两个，分别安装在所述第一立柱的侧壁上和所述第二立柱的侧壁上；所述第一立柱侧壁上和所述第二立柱侧壁上安装有线性导轨，带动所述卧式铣削机构做z轴进给运动。
11.进一步的，所述夹紧单元还包括对中夹紧部和顶杆，其中，所述对中夹紧部包括第一夹板、第二夹板和双向螺杆，所述第一夹板和第二夹板可移动安装在所述双向螺杆上；所述第一夹板和第二夹板以x轴为对称轴安装在所述工件两侧，沿y轴相向移动，夹紧所述工件；所述顶杆沿x轴方向直线运动并从x轴方向抵紧所述工件，所述顶杆与所述限位单元对所述工件的施力方向相对。
12.进一步的，所述第一压板、所述第二压板和所述第三压板可旋转安装于所述夹具底座上，所述夹具底座的顶面设置有支撑柱钉，所述支撑柱钉与所述第一压板、所述第二压板、所述第三压板对应设置，所述支撑柱钉设置所述工件的下方。
13.一种用于加工开口式薄壁类工件的铣钻复合数控机床的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在工人操作区域将待加工工件安装在装夹机构上；步骤2、通过移动工作台的传动单元，将安装有待加工工件的装夹机构移动到机架最远端的立式钻孔机构的加工工位；步骤3、立式钻孔机构快进、工进，进行钻孔加工；加工结束后，快退至原位；步骤4、通过移动工作台的传动单元，工件进入卧式铣削机构的加工工位；以x轴方向对称安装在所述机架两侧的卧式铣削机构同时开始进行铣削加工；步骤5、铣削加工结束后，卧式铣削机构保持结束位置不变；通过移动工作台的传动单元，工件进入水平钻孔机构的加工工位后，卧式铣削机构回至原位；
步骤6、位于机架一侧的水平钻孔机构启动进行钻孔加工，经过限定时间后启动位于机架另一侧的水平钻孔机构；先启动的水平钻孔机构加工量至需钻孔深度的1/2后退回至原位，后启动的水平钻孔机构将需钻孔钻通后退回至原位；步骤7、通过移动工作台的传动单元，加工完成的工件与装夹机构回至工人操作区域，操作者将加工完成的工件进行卸料操作。
14.本发明的有益效果如下：第一、通过本发明方案的实施，通过移动工作台实现上料、加工和下料工序过程中无需人工操作；使用立式钻孔机构、卧式铣削机构和水平钻孔机构进行支架的加工工序，两个方向的加工在同一复合机床完成，机床工位布置合理，减少了装夹、定位次数，降低生产成本；装夹机构根据开口式薄壁类工件孔多、壁薄易变形的特点，在薄壁结构需压紧的部分使用点接触减少对支架的伤害，同时呈三角形的压板布置减少窜动，压紧布置结构稳定；针对开口处刚度差问题，增加支撑单元提高支撑强度，保证工件在加工夹紧过程中无损害和变形。
15.第二、在移动工作台两侧布置螺旋排屑器，方便加工废屑排出。
16.第三、为保证刚性，采用了龙门伺服滑台，并采用两侧立柱进行支撑安装，避免通常立式钻床单侧立柱使刀具处于悬臂状态，避免长期使用产生变形，影响加工精度。
17.第四、当加工细长孔时，使用活动钻套用来引导刀具加工，减少长钻头振动，保证钻孔的加工精度，保证同轴度。
18.第五、第一立柱和第二立柱同时支承立式钻孔机构和卧式铣削机构，使机床机构更加紧凑，减少了部件数量，更有利于机床的布置。
19.第六、第一压板、第二压板和第三压板可旋转安装于所述夹具底座上，工件上料和下料时，无需整体抬起拆除第一压板、第二压板和第三压板；即节省了安装时间，提高了安装精度，同时留出足够的上部空间，方便生产线的上料和下料。
附图说明
20.图1为本发明中支架的结构图图2为本发明复合数控机床的立体图的示意图；图3为本发明复合数控机床的主视图的示意图；图4为本方明中机架、移动工作台和冷却系统的俯视图的示意图；图5为本方明中机架、移动工作台和立式钻孔机构的立体图的示意图；图6为图5中a部分的放大图的示意图图7为龙门伺服滑台的结构示意图；图8为本发明中水平钻孔机构装配在本发明数控机床的右视图的示意图；图9为本发明中卧式铣削机构装配在本发明数控机床的右视图的示意图；图10为本发明中装夹机构与支架装配图的结构立体图；图11为本发明中装夹机构与支架装配图的主视图的示意图；图12为本发明中装夹机构与支架装配图的俯视图的示意图；符号说明：1.机架、1-1.第一立柱、1-2.第二立柱 、1-3.线性导轨、1-4.立柱伺服滑台、2.移
动工作台、2-1.安装台、2-2.传动单元、3.装夹机构、3-1.夹具底座、3-2.第一压板、3-3.第二压板、3-4.第三压板、3-5.顶杆、3-6.第一伸缩油缸、3-7.第一支架、3-8.第二伸缩油缸、3-9.第二支架、3-10.支撑单元、3-11.第一限位板、3-12.第二限位板、3-13.支撑钉柱、3-14.第一夹板、3-15.双向螺杆、4.立式钻孔机构、4-1.龙门伺服滑台、4-1-1.调整槽、4-1-2.定位键、4-1-3.调整滑块、4-2.活动钻套、4-2-1.伸缩组件、4-2-2.支撑板、4-2-3.检测单元、4-2-4.导向孔、4-3.钻头 、4-3-1立式钻孔电机、4-3-2.麻花钻头、5.卧式铣削机构、5-1.双轴铣削头、5-2.铣刀、5-3.铣削电机、6.水平钻孔机构、6-1.水平伺服滑台、6-2.四轴u钻动力头、6-3.u钻电机、7.空中桥架、8.支架、9.冷却系统、10.螺旋排屑器。
具体实施方式
21.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式限制。
22.如图1-12所示，一种用于加工开口式薄壁类工件的铣钻复合数控机床，包括机架1、移动工作台2、装夹机构3、立式钻孔机构4、卧式铣削机构5和水平钻孔机构6；其中，移动工作台2安装在机架1上；移动工作台2包括安装台2-1和传动单元2-2；安装台2-1连接在传动单元2-2上，传动单元2-2带动安装台2-1在机架上沿x轴做往复运动；优选的，传动单元2-2包括一伺服电机，型号为150st-m32015m；移动工作台2两侧均设置有螺旋排屑器10，螺旋排屑器10的长度沿x轴方向不小于移动工作台2的长度，加工废屑通过螺旋排屑器10进行排屑，统一排到数控机床一端的冷却系统9中，冷却系统9中包括冷却管路和冷却排屑系统，再由小车进行运走。
23.立式钻孔机构4，固定安装在机架1的一端；立式钻孔机构4固定在机架1远离工人操作区域的一端；立式钻孔机构，包括第一立柱1-1、第二立柱1-2、龙门式伺服滑台4-1、钻头4-3和活动钻套4-2，第一立柱1-1和第二立柱1-2对称安装于移动工作台2的两侧；龙门式伺服滑台4-1设置在所述第一立柱1-1和第二立柱1-2之间，位于移动工作台2上方，优选的，第一立柱1-1和第二立柱1-2作为支撑，龙门式伺服滑台4-1的左右两侧安装在第一立柱1-1和第二立柱1-2的顶部；钻头4-3安装在龙门式伺服滑台4-1上；龙门式伺服滑台4-1带动钻头4-3做z轴上下移动；钻头4-3包括立式钻孔电机4-3-1和麻花钻头4-3-2；立式钻孔电机4-3-1型号为y90l-4b5，麻花钻头4-3-2用于钻φ17mm双层孔；活动钻套4-2设置在钻头4-3下方；活动钻套4-2包括伸缩组件4-2-1、钻孔导块和检测单元4-2-3；其中，钻孔导块安装在伸缩组件4-2-1的活动端，钻孔导块沿水平方向做直线滑动，优选的，伸缩组件4-2-1为伸缩油缸，其缸体端安装在第一立柱1-1或第二立柱1-2的侧壁上,沿y轴做直线运动；所述钻孔导块包括支撑板4-2-2和导向孔4-2-4，支撑板4-2-2伸入工件的需钻孔的薄壁上方，根据本支架8的双层孔结构，支撑板4-2-2分为上支撑板和下支撑板，其中，上支撑板位于第一层孔所在薄壁的上方，下支撑板从侧面伸入第一层薄壁和第二层薄壁之间；导向孔4-2-4开设在支撑板4-2-2上，导向孔4-2-4内安装有钻套，使用活动钻套4-2用来引导刀具加工，减少长麻花钻钻头振动，保证两个孔的加工精度，保证同轴度；检测单元4-2-3，检测钻孔导块的位移位置，保证钻孔导块的定位精度。
24.因受夏天、冬天温度变化影响，和不同批次模具的影响，双层孔在支架8上的位置需要对应调整，在立式钻孔机构4上需保证左右（+/-）1毫米的微调量；所以在龙门式伺服滑
台4-1与钻头4-3之间设置有调整单元，用于调整钻头4-3安装的左右位置；调整单元设置在龙门式伺服滑台4-3上；调整单元包括调整槽4-1-1和调整滑块4-1-3；其中，调整槽4-1-1开设在龙门式伺服滑台4-3用于安装钻头4-3的安装面上，优选的，调整槽4-1-1为t型槽；所述调整槽4-1-1沿水平方向开设，在调整槽4-1-1上安装一定位键4-1-2，其与钻头4-3连接，用于固定钻头4-3的在z轴上的安装位置；调整滑块4-1-3滑动安装在调整槽4-1-1上，调整滑块4-1-3设有两个，分别设置在钻头4-3的左右两侧，通过水平滑动调整滑块4-1-3，微调钻头4-3的在x轴的左右位置。
25.卧式铣削机构5，安装在立式钻孔机构4的下游端；卧式铣削机构5设置有多个，以x轴方向对称安装在机架1两侧，根据本方案中的支架8的结构，卧式铣削机构5共设置两个，分别安装在第一立柱1-1的侧壁上和第二立柱1-2的侧壁上；第一立柱1-1侧壁上和第二立柱1-2侧壁上安装有线性导轨1-3，第一立柱1-1和第二立柱1-2均安装有立柱伺服滑台1-4；立柱伺服滑台1-4带动所述卧式铣削机构5在线性导轨1-3上做z轴上下往复运动；第一立柱1-1和第二立柱1-2同时支承立式钻孔机构4和卧式铣削机构5，使机床机构更加紧凑，减少了部件数量，更有利于机床的布置；卧式铣削机构5，包括双轴铣削头5-1、铣削电机5-3；其中，双轴铣削头5-1中设置有两个铣刀5-2；铣削电机5-3的型号为y132m-6b5；卧式铣削机构5从两侧同时进行加工，节约时间、提高效率。
26.水平钻孔机构6，安装在卧式铣削机构5的下游端；水平钻孔机构6设置有多个，以x轴方向对称安装在机架1两侧，根据本方案中的支架8的结构，水平钻孔机构6共设置两个，用于从y轴方向加工钻孔，而由于当需要的孔的位置太过靠近时，需要分成两步进行加工；水平钻孔机构6包括水平伺服滑台6-1、四轴u钻动力头6-2和u钻电机6-3；其中，水平伺服滑台6-1安装在机架1上，水平伺服滑台6-1中的伺服电机的型号为150st-m32015m，用于控制水平钻孔机构6的y轴进给量；u钻电机6-3的型号为y112m-4b5。
27.装夹机构3安装在安装台2-1上，用于装夹支架8；首先需要确认支架8的摆放方式，根据加工要求；钻一组φ17双层孔为细长孔加工，需将刀具沿z轴布置；钻两组φ18孔，钻两组φ17孔为孔加工，需将刀具沿x轴布置。
28.铣小端的两侧的两组面为双侧铣削，可选方案有：端面铣，刀具主轴沿x轴布置；侧面铣，刀具主轴沿z轴或y轴布置；考虑到端面铣精度高，且易保证表面粗糙度，故选用和φ18孔、φ17孔加工刀具相同布置方式，均沿x轴布置在工件两侧，卧式加工。
29.装夹机构3包括夹具底座3-1、夹紧单元、限位单元、支撑单元3-10、对中夹紧部、顶杆3-5和支撑柱钉3-13；其中，夹紧单元包括第一压板3-2、第二压板3-3和第三压板3-4，其三者与工件的水平薄壁点接触，接触点在水平面上呈三角形；根据本支架8的结构，第一压板3-2和第二压板3-3设置支架8后方的平板位置，从z轴方向上压紧支架8平板部分的上表面，第一压板3-2和第二压板3-3在x轴方向上一前一后设置；使接触点不在一条直线上；第三压板3-4设置在支架8前方开口处，距离第一压板3-2和第二压板3-3尺寸较大，保证三点覆盖面较大；夹具底座3-1的顶面设置有支撑柱钉3-13，支撑柱钉3-13与第一压板3-2、第二压板3-3、第三压板3-4对应设置，支撑柱钉3-13设置支架8的下方，从z轴方向提供支撑；支撑单元3-10伸入支架8的开口处，支撑开口处的两个侧壁，与第三压板3-4对应设置，防止由于开口处刚性差，而导致支架8变形；夹紧单元限制支架8的z轴移动、x轴转动、y轴转动三个自由度。
30.对中夹紧部包括第一夹板3-14、第二夹板和双向螺杆3-15，第一夹板3-14和第二夹板可移动安装在所述双向螺杆3-15上；第一夹板3-14和第二夹板以x轴为对称轴安装在所述支架8两侧，沿y轴相向移动，夹紧支架8的竖直面，对中夹紧部限制支架8的y轴移动。
31.限位单元安装在夹具底座3-1上，限位单元抵靠工件上的竖直薄壁上，根据本支架8的结构，限位单元包括第一限位板3-11和第二限位板3-12，第一限位板3-11和第二限位板3-12均竖直设置，以x轴为中心设置在支架8的两侧，从x轴方向抵靠在支架8竖直侧壁的前侧，限制了支架8在x轴移动，z轴转动的自由度；顶杆3-5沿x轴方向直线运动并从x轴方向抵紧支架8，顶杆3-5与限位单元对支架8的施力方向相对；优选的，顶杆3-5从x轴方向抵紧支架8的后端；保证支架8可靠的靠在第一限位板3-11和第二限位板3-12上。
32.考虑机器人上下料，装夹机构设计为上部开放式；所述第一压板3-2、所述第二压板3-3和所述第三压板3-4可旋转安装于所述夹具底座3-1上；根据支架8的结构设计，第一压板3-2和第二压板3-3采用以y轴旋转式开合设置，保证上下料时，留出足够的上部空间；第三压板3-4采用以z轴旋转90度，为支架8留出上、下料的空间；具体的，夹具底座3-1上分别设置第一伸缩油缸3-6、第一支架3-7、第二伸缩油缸3-8和第二支架3-9，其中，第一压板3-2后端铰接第一伸缩油缸3-6的活塞杆端，第一压板3-2侧壁设置凸台，凸台伸入第一支架3-7上倾斜开设导向孔中，第一伸缩油缸3-6伸缩运动，带动凸台在倾斜开设导向孔中滑动；第二压板3-3后端铰接第二伸缩油缸3-8的活塞杆端，第二压板3-3侧壁设置凸台，凸台伸入第二支架3-9上倾斜开设导向孔中；实现第一压板3-2和第二压板3-3沿y轴做旋转式开合运动。
33.机架1还包括一空中桥架7，其设置在机架工人操作区域的上方，用于上、下料。
34.一种用于加工支架的铣钻复合数控机床的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在工人操作区域将待加工工件安装在装夹机构上；具体包括，先将待加工支架上料后推，抵靠至第一限位板和第二限位板，再手动双向螺杆，使第一夹板和第二夹板对中夹紧支架，使用顶杆抵紧待加工支架后端；支撑单元伸入支架的开口处；使用第一压板、第二压板和第三压板夹紧待加工支架；步骤2、通过移动工作台的传动单元，将安装有待加工支架的装夹机构移动到机架最远端的立式钻孔机构的加工工位；步骤3、立式钻孔机构快进、工进，进行钻孔加工；由于立式钻孔机构的钻孔加工为钻双层孔，钻孔加工前，活动钻套伸入需钻孔的薄壁上方；加工结束后，快退至原位；步骤4、通过移动工作台的传动单元，支架进入卧式铣削机构的加工工位；以x轴方向对称安装在所述机架两侧的卧式铣削机构同时开始进行铣削加工；步骤5、铣削加工结束后，卧式铣削机构保持结束位置不变；通过移动工作台的传动单元，支架进入水平钻孔机构的加工工位后，卧式铣削机构回至原位；步骤6、位于机架一侧的水平钻孔机构启动进行钻孔加工，5s后启动位于机架另一侧的水平钻孔机构；先启动的水平钻孔机构加工量至需钻孔深度的1/2后退回至原位，后启动的水平钻孔机构将需钻孔钻通后退回至原位；两侧的水平钻孔机构同时加工，可以减少一半的工进时间；步骤7、通过移动工作台的传动单元，加工完成的工件与装夹机构回至工人操作区域，操作者将加工完成的工件进行卸料操作。
35.在加工过程中，加工过程产生的废屑通过移动工作台两侧设置的螺旋排屑器排出机床。
36.上述实施例仅说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明,任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变；因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。