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前 言 在現(xiàn)代制造業(yè)中,，精密機(jī)械加工日趨普遍。實(shí)現(xiàn)精密加工的高檔數(shù)控機(jī)床,、模具處于制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的最前端,，而模具產(chǎn)品質(zhì)量的高低在很大程度上又受制于數(shù)控設(shè)備。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中,，制造業(yè)要求更短的生產(chǎn)周期,、更高的加工質(zhì)量以及更快的產(chǎn)品改型加工適應(yīng)能力和更低的制造技術(shù)。要滿足這些條件,，越來越多的制造企業(yè)采用了高端的數(shù)控加工機(jī)床：五軸加工機(jī)床,。 圖1 五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)是解決葉輪、葉片,、船用螺旋槳,、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子,、大型柴油機(jī)曲軸等等加工的唯一手段,。它是一種科技含量高、精密度高專門用于加工復(fù)雜曲面的機(jī)床,，該機(jī)床系統(tǒng)對(duì)一個(gè)國(guó)家的航空,、航天、軍事,、科研,、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等等行業(yè)有著舉足輕重的影響力,。 一,、什么是五軸機(jī)床 我們知道，受約束的刀具（或工件）雖然在空間有六個(gè)自由度�,，F(xiàn)實(shí)是,，在金屬切削過程中，工件與刀具之間會(huì)產(chǎn)生巨大的切削力和摩擦力，為了防止工件的位置移動(dòng),，必須將工件夾緊,，使之固定。通常我們使用的三軸機(jī)床只有三根正交的運(yùn)動(dòng)軸,，只能實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的直線移動(dòng)自由度,。因此，沿加工刀軸方向的結(jié)構(gòu)都能加工出來,。側(cè)面結(jié)構(gòu)特征無法加工,。 圖2 笛卡爾坐標(biāo)系 五軸數(shù)控加工就是指在一臺(tái)機(jī)床上至少有5個(gè)坐標(biāo)軸（三個(gè)直線坐標(biāo)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)），而且可在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制下同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工,。數(shù)控機(jī)床的軸意思就是運(yùn)動(dòng)軸,，其實(shí)也算是空間的坐標(biāo)軸，如坐標(biāo)的XY軸,，沒有運(yùn)動(dòng)軸有獨(dú)立的控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),。即數(shù)控機(jī)床有5個(gè)伺服軸(不包括主軸)可以同時(shí)進(jìn)行插補(bǔ)(5個(gè)伺服軸可以同一時(shí)間同時(shí)移動(dòng)進(jìn)行對(duì)一個(gè)零件進(jìn)行加工)。 二,、五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu) 五軸數(shù)控機(jī)床有多種不同的結(jié)構(gòu)形式,，主要分為以下三大類：工作臺(tái)傾斜型、主軸傾斜型和工作臺(tái)/主軸傾斜型五軸加工機(jī)床,。 2.1：工作臺(tái)傾斜型 設(shè)置在床身上的工作臺(tái)可以環(huán)繞X軸回轉(zhuǎn),，定義為A軸，A軸一般工作范圍+30度至-120度,。工作臺(tái)的中間還設(shè)有一個(gè)回轉(zhuǎn)臺(tái),，在下圖所示的位置上環(huán)繞Z軸回轉(zhuǎn)，定義為C軸,，C軸都是360度回轉(zhuǎn),。這樣通過A軸與C軸的組合，固定在工作臺(tái)上的工件除了底面之外,，其余的五個(gè)面都可以由立式主軸進(jìn)行加工,。 圖3 立式加工中心 A軸和C軸最小分度值一般為0.001度，這樣又可以把工件細(xì)分成任意角度,，加工出傾斜面,、傾斜孔等。A軸和C軸如與XYZ三直線軸實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng),，就可加工出復(fù)雜的空間曲面，當(dāng)然這需要數(shù)控系統(tǒng),、伺服系統(tǒng)以及軟件的支持,。這種設(shè)置方式的優(yōu)點(diǎn)是主軸的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主軸剛性非常好,，制造成本比較低,。但一般工作臺(tái)不能設(shè)計(jì)太大,，承重也較小，特別是當(dāng)A軸回轉(zhuǎn)大于等于90度時(shí),，工件切削時(shí)會(huì)對(duì)工作臺(tái)帶來很大的承載力矩,。 圖4 使用案例 2.2：主軸傾斜型 主軸前端是一個(gè)回轉(zhuǎn)頭，能自行環(huán)繞Z軸360度,，成為C軸,，回轉(zhuǎn)頭上還有帶可環(huán)繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸，一般可達(dá)±90度以上,，實(shí)現(xiàn)上述同樣的功能,。這種設(shè)置方式的優(yōu)點(diǎn)是主軸加工非常靈活，工作臺(tái)也可以設(shè)計(jì)的非常大,，客機(jī)龐大的機(jī)身,、巨大的發(fā)動(dòng)機(jī)殼都可以在這類加工中心上加工。 圖5 主軸傾斜型機(jī)床 這種設(shè)計(jì)還有一大優(yōu)點(diǎn)：我們?cè)谑褂们蛎驺姷都庸で鏁r(shí),，當(dāng)?shù)毒咧行木�垂直于加工面時(shí),，由于球面銑刀的頂點(diǎn)線速度為零，頂點(diǎn)切出的工件表面質(zhì)量會(huì)很差,，采用主軸回轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì),，令主軸相對(duì)工件轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，使球面銑刀避開頂點(diǎn)切削,，保證有一定的線速度,，可提高表面加工質(zhì)量。這種結(jié)構(gòu)非常受模具高精度曲面加工的歡迎,，這是工作臺(tái)回轉(zhuǎn)式加工中心難以做到的,。為了達(dá)到回轉(zhuǎn)的高精度，高檔的回轉(zhuǎn)軸還配置了圓光柵尺反饋,，分度精度都在幾秒以內(nèi),，當(dāng)然這類主軸的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本也較高,。 圖6 使用原理 2.3：工作臺(tái)/主軸傾斜型 此款設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸配置形式是B軸與工作臺(tái)繞C軸組合一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸在主軸頭的刀具側(cè),，另一個(gè)在工作臺(tái)側(cè)。這類機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)布置有最大的靈活性,，可以是在A.B.C軸中任意兩個(gè)組合,。這類機(jī)床的主軸可以旋轉(zhuǎn)為水平狀態(tài)和垂直狀態(tài)，工作臺(tái)只需分度定位,，即可簡(jiǎn)單的配置為立,、臥轉(zhuǎn)換的三軸加工中心，將主軸進(jìn)行立、臥轉(zhuǎn)換再配合工作臺(tái)分度,，對(duì)工件實(shí)現(xiàn)五面體加工,，制造成本低，比較實(shí)用,。 圖7 使用案例 三,、五軸機(jī)床的應(yīng)用 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心適合加工復(fù)雜、工序多,、要求高,、需要多種類型的普通機(jī)床和眾多刀具夾具，且經(jīng)多次裝夾和調(diào)整才能完成加工的零件,。 3.1：箱體類零件 箱體類零件一般都需要進(jìn)行多工位孔隙及平面加工,，公差要求較高，特別是形位公差要求較為嚴(yán)格,，通常需要經(jīng)過銑,、鉆、擴(kuò),、鏜,、鉸、攻絲等工序,，需要刀具較多,，在普通機(jī)床上加工難度大，需多次裝夾,、找正,，加工精度難以保證。加工箱體類零件時(shí)需要工作臺(tái)多次旋轉(zhuǎn)加工水平方向四個(gè)面,，用臥式加工中心合適,。 圖8 工件 3.2：復(fù)雜曲面 復(fù)雜曲面在機(jī)械制造業(yè)，特別是航空航天工業(yè)中占有重要的地位,。復(fù)雜曲面采用普通機(jī)加工方法是難以甚至無法完成,。復(fù)雜曲面零件如：各種葉輪、球面,、各種曲面成型磨具,、螺旋槳以及水下航行器的推進(jìn)器、以及一些其他形狀的自由曲面,。這類零件用五軸加工中心最為合適,。銑刀作包絡(luò)面來逼近球面。復(fù)雜曲面用加工中心加工時(shí),，編程工作量較大,，大多數(shù)要有自動(dòng)編程技術(shù),。 圖9 工件 3.3：異形件 異形件是外形不規(guī)則的零件，大都需要點(diǎn),、線、面多工位混合加工,。異形件的剛性一般較差,，夾壓變形難以控制，加工精度也難以保證,，甚至某些零件的有的加工部位用普通機(jī)床難以完成,。用加工中心加工時(shí)應(yīng)采用合理的工藝措施，一次或二次裝夾,，利用加工中心多工位點(diǎn),、線、面混合加工的特點(diǎn),，完成多道工序或全部的工序內(nèi)容,。 圖10 工件 3.4：盤套板類零件 帶有鍵槽，或徑向孔,，或端面有分布的孔系,，曲面的盤套或軸類零件，如帶法蘭的軸套,，帶鍵槽或方頭的軸類零件等,，還有具有較多孔加工的板類零件，如各種電機(jī)蓋等,。端面有分布孔系,、曲面的盤類零件宜選擇立式加工中心，有徑向孔的可選臥式加工中心,。 圖11 工件 3.5：特殊加工 在熟練掌握了加工中心的功能之后,，配合一定的工裝和專用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工藝工作,，如在金屬表面上刻字,、刻線、刻圖案,；在加工中心的主軸上裝上高頻電火花電源,，可對(duì)金屬表面進(jìn)行線掃描表面淬火；用加工中心裝上高速磨頭,，可實(shí)現(xiàn)小模數(shù)漸開線圓錐齒輪磨削及各種曲線,、曲面的磨削等。 圖12 工件 結(jié) 語 機(jī)床是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的象征,。而代表機(jī)床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng),，從某種意義上說,，它反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平狀況。長(zhǎng)期以來,，以美國(guó)為首的西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,，一直把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資，實(shí)行出口許可證制度,。在高端裝備制造領(lǐng)域,，我國(guó)已經(jīng)是生產(chǎn)大國(guó)，但仍然是技術(shù)弱國(guó),。自主創(chuàng)新能力薄弱,，近年來，為促進(jìn)我國(guó)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,，國(guó)家提出了大力發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重大戰(zhàn)略方向,，初步形成一定的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。期待有一天中國(guó)制造能在全球高端制造領(lǐng)域大放異彩,！
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發(fā)表于 2018-2-12 11:08:10
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