本发明涉及机械加工设备技术领域，尤其涉及一种铣抛一体化装备及加工方法。
背景技术：
复杂曲面高性能零件通常采用五轴联动铣削进行加工，加工后表面粗糙度ra≥3.2μm，而高性能零件要求表面粗糙度ra≤0.8μm，普通五轴联动铣削加工的零件表面粗糙度不满足复杂曲面高性能零件的使役要求。复杂曲面高性能零件通常采用手工磨抛达到表面粗糙度要求，某些领域的复杂曲面高性能零件国外也采用手工磨抛技术。但是，手工磨抛劳动强度大、效率低、质量不稳定，容易使操作者吸入粉尘造成职业病。传统的机械磨抛，如软砂带磨抛、磁流变磨料流磨抛、机器人磨抛等抛光方法不可避免的会导致抛光过程无法保证零件的形位精度，导致复杂曲面高性能零件不满足设计要求。软砂带磨抛和磁流变磨料流磨抛容易出现“过抛”、“倒棱”，严重影响复杂曲面的形位精度和表面微观形貌。机器人磨抛通常为悬臂梁结构，末端执行器受力后悬臂梁会发生颤振，这将严重影响抛光精度。传统的机械磨抛采用复杂的机械运动应力去除前道工序留下的加工纹，加工效率低，加工后残余损伤层厚，达不到化学机械抛光的水平。
化学机械抛光工艺流程可简单归结为对工件施加一定的压力使其压在旋转的抛光垫上，同时抛光液与工件表面发生化学反应，使工件表面形成薄膜软化层，随后薄膜软化层在磨料、抛光垫的机械作用下去除，在不断交替进行的化学成膜和机械去膜过程中实现表面平坦化。化学机械抛光通常应用于平面零件的抛光，是目前可以达到全局平坦化的最有效的方法。对于复杂曲面零件的化学机械抛光目前较难实现。
为此急需一种能加工出表面粗糙度ra<10nm的复杂曲面高性能零件的设备。
技术实现要素：
根据上述提出的技术问题，而提供一种铣抛一体化装备，可以实现一次夹装就能加工制造出表面粗糙度ra<10nm的复杂曲面高性能零件。解决了现有五轴联动铣削加工复杂曲面表面粗糙度高，且需要进一步更换设备进行抛光，以及现有复杂曲面抛光形位精度低的难题。本发明采用的技术手段如下：
一种铣抛一体化装备，包括床身、安装在床身上的五轴联动系统以及刀具选取机构，所述五轴联动系统包括用于调整刀具空间位姿的刀具位移机构和用于调整待修整工件空间位姿的工件位姿调节机构，所述刀具选取机构包括安装在床身上的铣刀刀库、抛光轮库和换刀器，所述换刀器用于刀具更换，所述刀具位移机构包括主轴箱，所述主轴箱内安装有用于安装刀具的主轴，所述主轴箱上还开设若干用于喷射切削液和抛光液的孔。
进一步地，所述刀具位移机构包括x轴平移机构、y轴平移机构以及所述主轴箱，所述工件位姿调节机构包括摆动工作台以及带有夹具的旋转工作台，所述x轴平移机构安装于床身构成x轴平移自由度，所述y轴平移机构安装于x轴平移机构构成y轴平移自由度，所述主轴箱安装于y轴平移机构构成z轴平移自由度，所述摆动工作台安装于床身构成y轴旋转自由度，所述带有夹具的旋转工作台安装于摆动工作台构成z轴旋转自由度，所述床身、x轴平移机构、y轴平移机构、摆动工作台、夹具及旋转工作台、主轴箱共同构成五轴联动系统，并由数控系统集成控制。
进一步地，摆动工作台可绕y轴在-90°～ 90°之间旋转。
进一步地，所述主轴箱底部开设有抛光液喷射孔和切削液喷射孔，所述抛光液喷射孔的孔径小于切削液喷射孔的孔径，抛光液喷射孔通过管路与抛光液泵和抛光液过滤循环系统相连，切削液喷射孔通过管路与切削液泵和切削液过滤循环系统相连。
进一步地，所述铣刀刀库为圆环形结构，圆环上布有铣刀安装位，各个铣刀安装位上安装加工所需的各类铣刀。
进一步地，所述抛光轮库为圆环形结构，圆环上布有抛光轮安装位，各个抛光轮安装位上可以安装加工所需的各类抛光轮。
进一步地，所述抛光轮库与铣刀刀库同心，二者均安装在床身，并能独立转动，转动位置由数控系统控制，所述换刀器安装于床身，且置于抛光轮库中心位置处，换刀器由数控系统控制。
进一步地，所述铣刀包括盘铣刀、端面铣刀、成型铣刀、球头铣刀、鼓铣刀；所述抛光轮包括布抛光轮、毛抛光轮、聚氨酯抛光轮、砂纸抛光轮、金刚石抛光轮、树脂抛光轮。
进一步地，床身上能够被切削液和抛光液触及的机构的表面均涂有疏水、疏油、抗腐蚀的高分子材料或塑料涂层。
一种复杂曲面高性能零件铣抛一体化加工方法，包括如下步骤：
步骤1、将工件夹装在带有夹具的旋转工作台上；
步骤2、数控系统控制x轴平移机构、y轴平移机构、主轴箱将主轴运动至换刀器处的换刀位点，同时数控系统控制铣刀刀库将铣削加工所需的铣刀转至换刀器处的换刀位点，然后数控系统控制换刀器将铣削加工所需的铣刀安装在主轴；
步骤3、数控系统启动切削液泵，切削液从切削液喷射孔喷出，进行铣削加工，加工过程中根据加工需求按照步骤2更换铣刀；
步骤4、铣削加工结束后，数控系统控制x轴平移机构、y轴平移机构、主轴箱将主轴运动至换刀器处的换刀位点，同时数控系统控制抛光轮库将抛光过程所需的抛光轮转至换刀器处的换刀位点；然后数控系统控制换刀器将抛光过程所需的抛光轮安装在主轴；
步骤5、数控系统启动抛光液泵，抛光液从抛光液喷射孔喷出，进行抛光过程，抛光过程中根据抛光需求按照步骤4更换抛光轮；
铣抛过程中，数控系统基于复杂曲面高性能零件的形貌控制五轴联动系统进行相应的调整。
本发明具有以下优点：
1.本发明提供了一种铣抛一体化装备，其具有五轴联动数控铣抛系统。加工时工件只需一次夹装，在同一套加工参数下铣削加工完后通过换刀器将铣刀更换为抛光轮，结合抛光液进行化学机械抛光。抛光过程避免了二次装夹，铣削过程和抛光过程具有相同的走刀路径，能显著提高抛光后的零件的形位精度。其解决了现有五轴联动数控铣床只能进行铣削加工，不能进行抛光，抛光还需更换设备二次装夹影响抛光精度的问题。
2.本发明提供了一种铣抛一体化装备，其在同一套加工参数下进行铣削和化学机械抛光，在抛光过程中利用了数控机床高刚度结构的特点，克服了现有复杂曲面通过手工磨抛效率低、形位精度低、产品差异大的缺点；克服了磁流变磨料流抛光易出现“过抛”、“倒棱”严重影响复杂曲面的形位精度和表面微观形貌的缺点；克服了机器人抛光由于自身悬臂梁结构易颤振导致抛光精度差的缺点。铣抛过程一体化，可实现高质量，高效率的复杂曲面精密加工。加工后的复杂曲面零件保证了其设计时所要求的形位精度，且具有很低的表面粗糙度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中装置的三维总装结构示意图。
图2为本发明实施例中的主轴箱底部结构示意图。
图中：1、y轴平移机构；2、x轴平移机构；3、床身；4、数控系统；5-1、切削液泵；5-2、抛光液泵；5-3、切削液过滤循环系统；5-4、抛光液过滤循环系统；6、摆动工作台；7、带有夹具的旋转工作台；8-1、铣刀刀库；8-2、抛光轮库；9、换刀器；10、主轴；11、主轴箱；11-1、抛光液喷射孔；11-2、切削液喷射孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2所示，本发明实施例公开了一种铣抛一体化装备，包括床身3、安装在床身3上的五轴联动系统以及刀具选取机构、数控系统4，所述五轴联动系统包括用于调整刀具空间位姿的刀具位移机构和用于调整待修整工件空间位姿的工件位姿调节机构，所述刀具选取机构包括安装在床身3上的铣刀刀库8-1、铣刀刀库8-2和换刀器9，所述换刀器9用于刀具更换，所述刀具位移机构包括主轴箱11，所述主轴箱11内安装有安装刀具的主轴10，所述主轴箱11上还开设若干用于喷射切削液和抛光液的孔。
所述刀具位移机构包括x轴平移机构2、y轴平移机构1以及所述主轴箱11，所述工件位姿调节机构包括摆动工作台6以及带有夹具的旋转工作台7，所述x轴平移机构2安装于床身3构成x轴平移自由度，所述y轴平移机构1安装于x轴平移机构2构成y轴平移自由度，所述主轴箱11安装于y轴平移机构1构成z轴平移自由度，所述摆动工作台6安装于床身3构成y轴旋转自由度，所述带有夹具的旋转工作台7安装于摆动工作台6构成z轴旋转自由度，所述床身3、x轴平移机构2、y轴平移机构1、摆动工作台6、夹具及旋转工作台7、主轴箱11共同构成五轴联动系统，并由数控系统4集成控制。
摆动工作台6可绕y轴在-90°～ 90°之间旋转。
所述主轴箱11底部开设有抛光液喷射孔11-1和切削液喷射孔11-2，所述抛光液喷射孔11-1的孔径小于切削液喷射孔11-2的孔径，抛光液喷射孔11-1通过管路与抛光液泵5-2和抛光液过滤循环系统5-4相连，切削液喷射孔11-2通过管路与切削液泵5-1和切削液过滤循环系统5-3相连。
所述铣刀刀库8-1为圆环形结构，圆环上布有铣刀安装位，各个铣刀安装位上安装加工所需的各类铣刀。
所述铣刀刀库8-2为圆环形结构，圆环上布有抛光轮安装位，各个抛光轮安装位上可以安装加工所需的各类抛光轮。
所述铣刀刀库8-2与铣刀刀库8-1同心，二者均安装在床身3，并能独立转动，转动位置由数控系统4控制，所述换刀器9安装于床身3，且置于铣刀刀库8-2中心位置处，换刀器9由数控系统4控制。
所述铣刀包括盘铣刀、端面铣刀、成型铣刀、球头铣刀、鼓铣刀、立铣刀、角度铣刀、t铣刀；所述抛光轮包括布抛光轮、毛抛光轮、聚氨酯抛光轮、砂纸抛光轮、金刚石抛光轮、树脂抛光轮。
具体地，在铣削过程中根据加工要求，需要使用某把铣刀时，铣刀刀库8-1将在数控系统4的控制下将该铣刀转至换刀器9处，同时主轴在数控系统4的控制下运动至换刀器9处的换刀位点，换刀器9进行换刀动作。在抛光过程中根据加工要求，需要使用某把抛光轮时，铣刀刀库8-2将在数控系统4的控制下将该抛光轮转至换刀器9处，同时主轴在数控系统4的控制下运动至换刀器9处的换刀位点，换刀器9进行换刀动作。
所述切削液泵5-1与切削液过滤循环系统5-3相连，并通过管路连接至切削液喷射孔11-2，在铣削过程中削液泵将切削液过滤循环系统5-3中的切削液输送至切削液喷射孔11-2，使得切削液喷送至加工位点。使用后的切削液再通过切削液过滤循环系统5-3收集存储过滤循环使用。所述抛光液泵5-2与抛光液过滤循环系统5-4相连，并通过管路连接至抛光液喷射孔11-1，在抛光过程中抛光液泵5-2将抛光液过滤循环系统5-4中的抛光液输送至抛光液喷射孔11-1，使得抛光液喷送至加工位点。使用后的抛光液再通过抛光液过滤循环系统5-4收集过滤存储循环使用。所述切削液泵5-1、抛光液泵5-2、切削液过滤循环系统5-3、抛光液过滤循环系统5-4的运行均由数控系统4集成控制。
所述y轴平移机构1、x轴平移机构2、床身3、摆动工作台6、夹具及旋转工作台7、换刀器9、主轴、主轴箱11、在铣削和抛光过程中切削液和抛光液能接触到或飞溅到的表面都涂有疏水、疏油、抗腐蚀的高分子材料或塑料涂层以免切削液和抛光液腐蚀其表面。
一种复杂曲面高性能零件铣抛一体化加工方法，包括如下步骤：
步骤1、将工件夹装在带有夹具的旋转工作台7上；
步骤2、数控系统4控制x轴平移机构2、y轴平移机构1、主轴箱11将主轴运动至换刀器9处的换刀位点，同时数控系统4控制铣刀刀库8-1将铣削加工所需的铣刀转至换刀器9处的换刀位点，然后数控系统4控制换刀器9将铣削加工所需的铣刀安装在主轴；
步骤3、数控系统4启动切削液泵5-1，切削液从切削液喷射孔11-2喷出，进行铣削加工，加工过程中根据加工需求按照步骤2更换铣刀；
步骤4、铣削加工结束后，数控系统4控制x轴平移机构2、y轴平移机构1、主轴箱11将主轴运动至换刀器9处的换刀位点，同时数控系统4控制铣刀刀库8-2将抛光过程所需的抛光轮转至换刀器9处的换刀位点；然后数控系统4控制换刀器9将抛光过程所需的抛光轮安装在主轴；
步骤5、数控系统4启动抛光液泵5-2，抛光液从抛光液喷射孔11-1喷出，进行抛光过程，抛光过程中根据抛光需求按照步骤4更换抛光轮；
铣抛过程中，数控系统4基于复杂曲面高性能零件的形貌控制五轴联动系统进行相应的调整。
本发明加工时工件只需一次夹装，在同一套加工参数下铣削加工完后通过换刀器9将铣刀更换为抛光轮，结合抛光液进行化学机械抛光。抛光过程避免了二次装夹，铣削过程和抛光过程具有相同的走刀路径，能显著提高抛光后的零件的形位精度。解决了现有五轴联动数控铣床只能进行铣削加工，不能进行抛光，抛光还需更换设备二次装夹影响抛光精度的问题。解决了现有复杂曲面抛光方法手工磨抛、磁流变磨料流抛光、机器人抛光后零件形位精度低的问题。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
1.一种铣抛一体化装备，其特征在于，包括床身、安装在床身上的五轴联动系统以及刀具选取机构，所述五轴联动系统包括用于调整刀具空间位姿的刀具位移机构和用于调整待修整工件空间位姿的工件位姿调节机构，所述刀具选取机构包括安装在床身上的铣刀刀库、抛光轮库和换刀器，所述换刀器用于刀具更换，所述刀具位移机构包括主轴箱，所述主轴箱内安装有用于安装刀具的主轴，所述主轴箱上还开设若干用于喷射切削液和抛光液的孔。
2.根据权利要求1所述的铣抛一体化装备，其特征在于，所述刀具位移机构包括x轴平移机构、y轴平移机构以及所述主轴箱，所述工件位姿调节机构包括摆动工作台以及带有夹具的旋转工作台，所述x轴平移机构安装于床身构成x轴平移自由度，所述y轴平移机构安装于x轴平移机构构成y轴平移自由度，所述主轴箱安装于y轴平移机构构成z轴平移自由度，所述摆动工作台安装于床身构成y轴旋转自由度，所述带有夹具的旋转工作台安装于摆动工作台构成z轴旋转自由度，所述床身、x轴平移机构、y轴平移机构、摆动工作台、夹具及旋转工作台、主轴箱共同构成五轴联动系统，并由数控系统集成控制。
3.根据权利要求2所述的铣抛一体化装备，其特征在于，摆动工作台可绕y轴在-90°～ 90°之间旋转。
4.根据权利要求2所述的铣抛一体化装备，其特征在于，所述主轴箱底部开设有抛光液喷射孔和切削液喷射孔，所述抛光液喷射孔的孔径小于切削液喷射孔的孔径，抛光液喷射孔通过管路与抛光液泵和抛光液过滤循环系统相连，切削液喷射孔通过管路与切削液泵和切削液过滤循环系统相连。
5.根据权利要求1所述的铣抛一体化装备，其特征在于，所述铣刀刀库为圆环形结构，圆环上布有铣刀安装位，各个铣刀安装位上安装加工所需的各类铣刀。
6.根据权利要求1或5所述的铣抛一体化装备，其特征在于，所述抛光轮库为圆环形结构，圆环上布有抛光轮安装位，各个抛光轮安装位上可以安装加工所需的各类抛光轮。
7.根据权利要求6所述的铣抛一体化装备，其特征在于，所述抛光轮库与铣刀刀库同心，二者均安装在床身，并能独立转动，转动位置由数控系统控制，所述换刀器安装于床身，且置于抛光轮库中心位置处，换刀器由数控系统控制。
8.根据权利要求7所述的铣抛一体化装备，其特征在于，所述铣刀包括盘铣刀、端面铣刀、成型铣刀、球头铣刀、鼓铣刀；所述抛光轮包括布抛光轮、毛抛光轮、聚氨酯抛光轮、砂纸抛光轮、金刚石抛光轮、树脂抛光轮。
9.根据权利要求1所述的铣抛一体化装备，其特征在于，床身上能够被切削液和抛光液触及的机构的表面均涂有疏水、疏油、抗腐蚀的高分子材料或塑料涂层。
10.一种复杂曲面高性能零件铣抛一体化加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将工件夹装在带有夹具的旋转工作台上；
步骤2、数控系统控制x轴平移机构、y轴平移机构、主轴箱将主轴运动至换刀器处的换刀位点，同时数控系统控制铣刀刀库将铣削加工所需的铣刀转至换刀器处的换刀位点，然后数控系统控制换刀器将铣削加工所需的铣刀安装在主轴；
步骤3、数控系统启动切削液泵，切削液从切削液喷射孔喷出，进行铣削加工，加工过程中根据加工需求按照步骤2更换铣刀；
步骤4、铣削加工结束后，数控系统控制x轴平移机构、y轴平移机构、主轴箱将主轴运动至换刀器处的换刀位点，同时数控系统控制抛光轮库将抛光过程所需的抛光轮转至换刀器处的换刀位点；然后数控系统控制换刀器将抛光过程所需的抛光轮安装在主轴；
步骤5、数控系统启动抛光液泵，抛光液从抛光液喷射孔喷出，进行抛光过程，抛光过程中根据抛光需求按照步骤4更换抛光轮；
铣抛过程中，数控系统基于复杂曲面高性能零件的形貌控制五轴联动系统进行相应的调整。
技术总结