柔性装夹制冷一体化的多工位冷冻砂型卧式加工中心

1.本发明涉及冷冻砂型铣削加工领域，特别涉及柔性装夹制冷一体化的多工位冷冻砂型卧式加工中心。


背景技术：

2.铸造是装备制造业不可或缺的工艺环节，是众多主机产品和高端装备创新发展的重要支撑和基础保障。为更好推动铸造行业高质量发展，持续提升对装备制造业的支撑和保障作用，工信部、国家发改委、生态环境部联合发布关于推动铸造和锻压行业高质量发展的指导意见。目标到2025年，铸造行业颗粒物污染排放量较2020年减少30％以上，年铸造废砂再生循环利用达到800万吨以上，吨锻件能源消耗较2020年减少5％。
3.数字化冷冻砂型绿色铸造成形技术以水为粘结剂，在低温条件下实现型砂粘结和砂型数字化切削/打印成形，可制造出高质量铸件，型砂直接回收率大于90％。其原理是在砂型三维cad模型驱动下，利用打印喷头/铣刀直接成形冷冻砂型(芯)的增/减材制造，经表面处理及组装后浇注获得高质量复杂铸件。
4.目前冷冻砂型加工技术仍然借鉴传统数控切削加工金属的方法，大尺寸复杂冷冻砂型面临加工时间长、区域控温难等问题。在加工冷冻砂型型腔或下凹的型面时，切屑不易排出，严重时会损坏刀具，破坏已加工表面，影响加工的顺利进行。因此，亟需创新开发新方法、新工艺和新装备，实现冷冻砂型的高精高效加工，缩短砂型(芯)成形制造时间，实现绿色节能高效制造。


技术实现要素：

5.为解决上述现有技术中冷冻砂型铣削设备存在砂坯装夹不易、加工效率低、区域控温难和切屑不易排出等问题，本发明公开了柔性装夹制冷一体化的多工位冷冻砂型卧式加工中心；以提高大型复杂冷冻砂型的成形效率、柔性化制造能力和砂型(芯)性能。
6.为实现上述目的，柔性装夹制冷一体化的多工位冷冻砂型卧式加工中心，包括：机床底座，“摆头”式电主轴，柔性装夹制冷装置，多工位转台和低温输运装置。所述机床底座上设有立柱、x横梁、y横梁、导轨和驱动电机组成，具有加工区域和输运区域。所述立柱位于加工区域并且设置在所述机床底座上，所述x横梁设置在所述立柱上，所述y横梁设置在所述x横梁上；所述“摆头”式电主轴设置在所述y横梁上，并能够相对所述立柱沿x方向运动；所述多工位转台位于加工区域，所述柔性装夹制冷装置通过法兰盘与所述多工位转台连接；所述低温输运装置位于输运区域，包括自动化低温传送带和多自由度机械臂抓取装置，用于将冷冻砂坯放置于柔性装夹制冷装置中。
7.进一步的，所述“摆头”式电主轴通过伺服电机和中空旋转平台实现摆动角度0～90
°
可调，主轴转矩一般能够达到30n
·
m以上，功率20～35kw。所述“摆头”式电主轴采用hsk a63形式，最高转速18000r/min。
8.进一步的，所述“摆头”式电主轴设置有所述万向接头吹风喷嘴和所述负压吸尘
罩；所述万向接头吹风喷嘴采用耐低温材料，可选择聚乙烯、聚四氟乙烯或pla材料。所述负压吸尘罩压力3000～9000pa确保大部分切削排除铣削加工区域。所述加工刀具优选所述中空刀具，刀具通孔与主轴相连通吹出低温气体。
9.进一步的，所述多工位转台包括驱动部分，支撑部分，传动部分；所述多工位转台包括转盘、回转主轴和旋转机构；旋转机构包括由具有径向槽的转位轮和具有圆销的限位轮构成；旋转机构通过轴承和螺纹联接至回转主轴上；所述多工位转台采用旋转机构实现回转台的分度转位及间歇步进，实现0～180
°
的转动。
10.支撑部分是转盘；驱动部分是气缸，传动部分是齿轮齿条和旋转机构；限位轮一般作为主动件，作等速连续转动，带动转位轮做间歇运动。旋转机构的设计主要是根据间歇运动的要求确定转位轮的槽数，圆销的数目以及旋转机构的基本尺寸。
11.进一步的，所述柔性装夹制冷装置由装夹模块和制冷模块两部分组成，包括镂空底座，推动块，尼龙块，橡胶组件，t型压板，液压缸和低温气体输运管路。所述液压缸给所述推动块提供轴向推力；所述推动块在所述t型压板的限制下向右移动，推动所述尼龙块带动所述橡胶组件径向收缩，起到夹紧冷冻砂型外壁的作用。所述低温气体输运管路输送冷气至所述尼龙块和橡胶组件之间，实现冷冻砂型的降温和保温作用。
12.进一步的，安装在所述镂空底座和所述t型压板上的直线导轨用来实现所述尼龙块的径向移动，实现对不同体积、不同形状的冷冻砂坯柔性化装夹。
13.进一步的，所述低温气体输运管路输出低温冷风、低温二氧化碳气体或者低温氮气，温度控制在-20～-60℃可调，湿度通过微型加湿器调节。
14.进一步的，所述多自由度机械臂抓取装置针对不同的冷冻砂坯形状，基于bmkpcanet的多视角理论采用双目摄像机视觉识别系统，对冷冻砂坯执行识别，抓取和放置三个动作。
15.进一步的，所述设计低温传送带可以平稳切换速度，实现砂型从待加工到加工及转运的节拍协同。
16.该加工中心适用于各种材质(石英砂、锆英砂和铬铁矿砂等)冷冻砂型快速切削过程，具体实施步骤为：
17.s1、根据铸件特点选择合适型砂，制备合格冷冻砂型置于冷库中贮藏。
18.s2、自动化低温传送带将代加工砂坯输运到加工中心附近，基于机器视觉的双目识别系统控制多自由度机械臂抓取装置将冷冻砂坯抓取放置柔性装夹制冷装置。
19.s3、开启制冷装置，低温气体输运管路输送冷气至尼龙块和橡胶组件之间，实现冷冻砂型的区域控温作用。
20.s4、开启加工中心，将砂型按照三维模型进行数字化铣削，获得复杂冷冻砂型(芯)。
21.s5、多自由度机械臂识别抓取已加工好冷冻砂型放置自动化低温传送带运输至冷库进行深冷处理，同时加工后续冷冻砂型，实现闭环高精高效加工。
22.本发明提供了柔性装夹制冷一体化的多工位冷冻砂型卧式加工中心，与现有冷冻砂型三轴铣削技术相比具备以下有益效果：
23.(1)本加工中心创新开发转运-装夹-制冷-加工一体化成形方法与工艺，去除传统冷冻砂型加工过程中的工序冗余，缩短了成形时间，提高了冷冻砂型数字化成形的整体效
率和应用性能。
24.(2)本发明设计柔性装夹制冷一体化区域控温装置，精准控制加工过程温度和湿度，提高了冷冻砂型整体加工精度和性能。
25.(3)本发明适用于冷冻砂型铣削成形过程中的废砂清理，在确保冷冻砂型加工表面没有残留废砂堆积黏结现象，减小砂屑对刀具和砂型的影响，提高砂型的表面精度，延长刀具的使用寿命。
附图说明
26.图1为本发明实施例所述的冷冻砂型卧式加工中心结构示意图；
27.图2为本发明实施例所述“摆头”式电主轴示意图；
28.图3为本发明实施例所述槽轮机构示意图；
29.图4为本发明实施例所述柔性装夹制冷装置示意图；
30.图5为本发明实施例所述柔性装夹制冷装置局部放大图；
31.图6为本发明实施例所述多工位转台示意图
32.附图说明：1-机床底座，2
‑“
摆头”式电主轴，3-柔性装夹制冷装置，4-多工位转台，5-低温输运装置，6-立柱，7-x横梁，8-y横梁，9-导轨，10-驱动电机，11-双目视觉系统，12-自动化低温传送带，13-多自由度机械臂抓取装置，14-伺服电机，15-中空旋转平台，16-负压吸尘罩，17-万向接头吹风喷嘴，18-中空刀具，19-限位轮，20-转位轮，21-圆销，22-镂空底座，23-推动块，24-尼龙块，25-橡胶组件，26-t型压板，27-液压缸，28-低温气体输运管路，29-回转主轴和30-转盘。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
34.如图1所示，本发明实施例提供一种柔性装夹制冷一体化的多工位冷冻砂型卧式加工中心，包括机床底座1，“摆头”式电主轴2，柔性装夹制冷装置3，多工位转台4和低温输运装置5；所述机床底座1上设有立柱6、x横梁7、y横梁8、导轨9和驱动电机10组成；所述立柱6位于加工区域并且设置在所述机床底座1上，所述x横梁7设置在所述立柱6上，所述y横梁8设置在所述x横梁7上；所述“摆头”式电主轴2设置在所述y横梁8上，并能够相对所述立柱6沿x方向运动；所述多工位转台4位于加工区域，所述柔性装夹制冷装置3通过法兰盘与所述多工位转台4连接；所述低温输运装置5位于输运区域，包括自动化低温传送带12和多自由度机械臂抓取装置13，用于将冷冻砂坯放置于柔性装夹制冷装置中。
35.如图2所示，其中伺服电机14通过中空旋转平台15带动所述“摆头”式电主轴2实现摆动角度为0～90
°
，主轴转矩能够达到30n
·
m以上，功率20～35kw；所述“摆头”式电主轴采用hsk a63形式，最高转速18000r/min；所述“摆头”式电主轴2设置有万向接头吹风喷嘴17、负压吸尘罩16和我中空刀具18；中空刀具18的通孔与摆头”式电主轴2相连通吹出低温气体；所述万向接头吹风喷嘴17采用耐低温材料，可选择聚乙烯、聚四氟乙烯或pla材料；所述
负压吸尘罩压力3000～9000pa确保大部分切削排除铣削加工区域。
36.如图3所示，所述多工位转台4采用旋转机构实现回转台的分度转位及间歇步进，可以实现0～180
°
的转动；旋转机构包括由具有径向槽的转位轮20、具有圆销21的限位轮19构成；旋转机构通过轴承和螺纹联接至回转主轴29。
37.本实施例的技术方案是要求实现4个位置的定位和间歇运动，故转位轮的槽数z选为4，圆销数目选为1，即限位轮转一周，转位轮会被拨动一次，实现90
°
的转位。
38.如图4所示，所述柔性装夹制冷装置3由装夹模块和制冷模块两部分组成，包括镂空底座22，推动块23，尼龙块24，橡胶组件25，t型压板26，液压缸27和低温气体输运管路28；所述液压缸27给所述推动块23提供轴向推力；所述推动块23在所述t型压板26的限制下向右移动，推动所述尼龙块24带动所述橡胶组件25径向收缩，起到夹紧冷冻砂型外壁的作用；所述低温气体输运管路28输送冷气至所述尼龙块24和橡胶组件25之间，实现冷冻砂型的降温和保温作用。
39.其中安装在所述镂空底座22和所述t型压板26上的直线导轨用来实现所述尼龙块24的径向移动，实现对不同体积、不同形状的冷冻砂坯柔性化装夹。
40.所述低温气体输运管路输出低温冷风、低温二氧化碳气体或者低温氮气，温度为-20～-60℃，湿度通过微型加湿器调节。
41.所述多自由度机械臂抓取装置针对不同的冷冻砂坯形状，基于bmkpcanet的多视角理论采用双目摄像机视觉识别系统，对冷冻砂坯执行识别，抓取和放置三个动作。所述设计低温传送带可以平稳切换速度，实现砂型从待加工到加工及转运的节拍协同
42.本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

技术特征：
1.一种柔性装夹制冷一体化的多工位冷冻砂型卧式加工中心，包括机床底座(1)，所述机床底座(1)上设有立柱(6)、x横梁(7)、y横梁(8)、导轨(9)和驱动电机(10)；所述立柱(6)位于加工区域并且设置在所述机床底座(1)上，所述x横梁(7)设置在所述立柱(6)上，所述y横梁(8)设置在所述x横梁(7)上；其特征在于：还包括“摆头”式电主轴(2)，柔性装夹制冷装置(3)，多工位转台(4)和低温输运装置(5)；所述“摆头”式电主轴(2)设置在所述y横梁(8)上，并能够相对所述立柱(6)沿x方向运动；所述多工位转台(4)位于加工区域，所述柔性装夹制冷装置(3)通过法兰盘与所述多工位转台(4)连接；所述低温输运装置(5)位于输运区域，包括自动化低温传送带(12)和多自由度机械臂抓取装置(13)，用于将冷冻砂坯放置于柔性装夹制冷装置中。2.根据权利要求1所述的一种柔性装夹制冷一体化的多工位冷冻砂型卧式加工中心，其特征在于，其中伺服电机(14)通过中空旋转平台(15)带动所述“摆头”式电主轴(2)实现摆动角度为0～90
°
，主轴转矩能够达到30n
·
m以上，功率20～35kw；所述“摆头”式电主轴采用hsk a63形式，最高转速18000r/min。3.根据权利要求2所述的一种柔性装夹制冷一体化的多工位冷冻砂型卧式加工中心，其特征在于，所述“摆头”式电主轴(2)设置有万向接头吹风喷嘴(17)、负压吸尘罩(16)和中空刀具(18)；中空刀具(18)的通孔与摆头”式电主轴(2)相连通吹出低温气体。4.根据权利要求3所述的一种柔性装夹制冷一体化的多工位冷冻砂型卧式加工中心，其特征在于，所述万向接头吹风喷嘴(17)采用耐低温材料，可选择聚乙烯、聚四氟乙烯或pla材料；所述负压吸尘罩压力3000～9000pa确保大部分切削排除铣削加工区域。5.根据权利要求1所述的一种柔性装夹制冷一体化的多工位冷冻砂型卧式加工中心，其特征在于，所述多工位转台(4)包括转盘(30)、回转主轴(29)和旋转机构；旋转机构包括由具有径向槽的转位轮(20)和具有圆销(21)的限位轮(19)构成；旋转机构通过轴承和螺纹联接至回转主轴(29)上；所述多工位转台(4)采用旋转机构实现回转台的分度转位及间歇步进，实现0～180
°
的转动。6.根据权利要求1所述的一种柔性装夹制冷一体化的多工位冷冻砂型卧式加工中心，其特征在于，所述柔性装夹制冷装置(3)由装夹模块和制冷模块两部分组成，包括镂空底座(22)，推动块(23)，尼龙块(24)，橡胶组件(25)，t型压板(26)，液压缸(27)和低温气体输运管路(28)；所述液压缸(27)给所述推动块(23)提供轴向推力；所述推动块(23)在所述t型压板(26)的限制下向右移动，推动所述尼龙块(24)带动所述橡胶组件(25)径向收缩，起到夹紧冷冻砂型外壁的作用；所述低温气体输运管路(28)输送冷气至所述尼龙块(24)和橡胶组件(25)之间，实现冷冻砂型的降温和保温作用。7.根据权利要求6所述的一种柔性装夹制冷一体化的多工位冷冻砂型卧式加工中心，其特征在于，安装在所述镂空底座(22)和所述t型压板(26)上的直线导轨用来实现所述尼龙块(24)的径向移动，实现对不同体积、不同形状的冷冻砂坯柔性化装夹。8.根据权利要求5所述的一种柔性装夹制冷一体化的多工位冷冻砂型卧式加工中心，其特征在于，所述低温气体输运管路输出低温冷风、低温二氧化碳气体或者低温氮气，温度为-20～-60℃，湿度通过微型加湿器调节。9.根据权利要求1所述的一种柔性装夹制冷一体化的多工位冷冻砂型卧式加工中心，其特征在于，所述多自由度机械臂抓取装置针对不同的冷冻砂坯形状，基于bmkpcanet的多
视角理论采用双目摄像机视觉识别系统，对冷冻砂坯执行识别，抓取和放置三个动作。10.根据权利要求1所述的一种柔性装夹制冷一体化的多工位冷冻砂型卧式加工中心，其特征在于，所述设计低温传送带可以平稳切换速度，实现砂型从待加工到加工及转运的节拍协同。

技术总结
本发明涉及柔性装夹制冷一体化的多工位冷冻砂型卧式加工中心，包括：机床底座，“摆头”式电主轴，多工位转台，柔性装夹制冷装置和低温输运装置。所述“摆头”式电主轴摆动角度0～90


技术研发人员：杨浩秦 单忠德 施建培 罗磊 梁校 张学良
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/14