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前 言 在現(xiàn)代制造業(yè)中,，精密機械加工日趨普遍,。實現(xiàn)精密加工的高檔數(shù)控機床,、模具處于制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的最前端,，而模具產(chǎn)品質量的高低在很大程度上又受制于數(shù)控設備,。在激烈的市場競爭中,，制造業(yè)要求更短的生產(chǎn)周期、更高的加工質量以及更快的產(chǎn)品改型加工適應能力和更低的制造技術,。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)控加工機床：五軸加工機床。 圖1 五軸聯(lián)動機床 五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)是解決葉輪,、葉片,、船用螺旋槳、重型發(fā)電機轉子,、汽輪機轉子,、大型柴油機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雜曲面的機床,，該機床系統(tǒng)對一個國家的航空、航天,、軍事,、科研、精密器械,、高精醫(yī)療設備等等行業(yè)有著舉足輕重的影響力,。 一、什么是五軸機床 我們知道,，受約束的刀具（或工件）雖然在空間有六個自由度�,，F(xiàn)實是，在金屬切削過程中,，工件與刀具之間會產(chǎn)生巨大的切削力和摩擦力,，為了防止工件的位置移動，必須將工件夾緊,，使之固定,。通常我們使用的三軸機床只有三根正交的運動軸,，只能實現(xiàn)三個方向的直線移動自由度。因此,，沿加工刀軸方向的結構都能加工出來,。側面結構特征無法加工。 圖2 笛卡爾坐標系 五軸數(shù)控加工就是指在一臺機床上至少有5個坐標軸（三個直線坐標和兩個旋轉坐標）,，而且可在計算機數(shù)控系統(tǒng)控制下同時協(xié)調運動進行加工,。數(shù)控機床的軸意思就是運動軸，其實也算是空間的坐標軸,，如坐標的XY軸,，沒有運動軸有獨立的控制器和電機驅動系統(tǒng)。即數(shù)控機床有5個伺服軸(不包括主軸)可以同時進行插補(5個伺服軸可以同一時間同時移動進行對一個零件進行加工),。 二,、五軸機床的結構 五軸數(shù)控機床有多種不同的結構形式，主要分為以下三大類：工作臺傾斜型,、主軸傾斜型和工作臺/主軸傾斜型五軸加工機床,。 2.1：工作臺傾斜型 設置在床身上的工作臺可以環(huán)繞X軸回轉,，定義為A軸,，A軸一般工作范圍+30度至-120度。工作臺的中間還設有一個回轉臺,，在下圖所示的位置上環(huán)繞Z軸回轉,，定義為C軸，C軸都是360度回轉,。這樣通過A軸與C軸的組合,，固定在工作臺上的工件除了底面之外，其余的五個面都可以由立式主軸進行加工,。 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三直線軸實現(xiàn)聯(lián)動，就可加工出復雜的空間曲面,，當然這需要數(shù)控系統(tǒng),、伺服系統(tǒng)以及軟件的支持。這種設置方式的優(yōu)點是主軸的結構比較簡單,，主軸剛性非常好,，制造成本比較低。但一般工作臺不能設計太大,，承重也較小,，特別是當A軸回轉大于等于90度時,，工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩。 圖4 使用案例 2.2：主軸傾斜型 主軸前端是一個回轉頭,，能自行環(huán)繞Z軸360度,，成為C軸，回轉頭上還有帶可環(huán)繞X軸旋轉的A軸,，一般可達±90度以上,，實現(xiàn)上述同樣的功能。這種設置方式的優(yōu)點是主軸加工非常靈活,，工作臺也可以設計的非常大,，客機龐大的機身、巨大的發(fā)動機殼都可以在這類加工中心上加工,。 圖5 主軸傾斜型機床 這種設計還有一大優(yōu)點：我們在使用球面銑刀加工曲面時,，當?shù)毒咧行木�垂直于加工面時，由于球面銑刀的頂點線速度為零,，頂點切出的工件表面質量會很差,，采用主軸回轉的設計，令主軸相對工件轉過一個角度,，使球面銑刀避開頂點切削,，保證有一定的線速度，可提高表面加工質量,。這種結構非常受模具高精度曲面加工的歡迎,，這是工作臺回轉式加工中心難以做到的。為了達到回轉的高精度,，高檔的回轉軸還配置了圓光柵尺反饋,，分度精度都在幾秒以內，當然這類主軸的回轉結構比較復雜,，制造成本也較高,。 圖6 使用原理 2.3：工作臺/主軸傾斜型 此款設備的旋轉軸配置形式是B軸與工作臺繞C軸組合一個旋轉軸在主軸頭的刀具側，另一個在工作臺側,。這類機床的旋轉軸結構布置有最大的靈活性,，可以是在A.B.C軸中任意兩個組合。這類機床的主軸可以旋轉為水平狀態(tài)和垂直狀態(tài),，工作臺只需分度定位,，即可簡單的配置為立、臥轉換的三軸加工中心,，將主軸進行立,、臥轉換再配合工作臺分度，對工件實現(xiàn)五面體加工,，制造成本低,，比較實用,。 圖7 使用案例 三、五軸機床的應用 五軸聯(lián)動加工中心適合加工復雜,、工序多,、要求高、需要多種類型的普通機床和眾多刀具夾具,，且經(jīng)多次裝夾和調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格,，通常需要經(jīng)過銑、鉆,、擴,、鏜、鉸,、攻絲等工序,，需要刀具較多，在普通機床上加工難度大,，需多次裝夾,、找正，加工精度難以保證,。加工箱體類零件時需要工作臺多次旋轉加工水平方向四個面,，用臥式加工中心合適,。 圖8 工件 3.2：復雜曲面 復雜曲面在機械制造業(yè),，特別是航空航天工業(yè)中占有重要的地位。復雜曲面采用普通機加工方法是難以甚至無法完成,。復雜曲面零件如：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,。銑刀作包絡面來逼近球面,。復雜曲面用加工中心加工時，編程工作量較大,，大多數(shù)要有自動編程技術,。 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,、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床難以完成。用加工中心加工時應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、線,、面混合加工的特點,，完成多道工序或全部的工序內容。 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，可對金屬表面進行線掃描表面淬火,；用加工中心裝上高速磨頭,，可實現(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 語 機床是一個國家制造業(yè)水平的象征,。而代表機床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)，從某種意義上說,，它反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平狀況,。長期以來，以美國為首的西方工業(yè)發(fā)達國家，一直把五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資,，實行出口許可證制度,。在高端裝備制造領域，我國已經(jīng)是生產(chǎn)大國,，但仍然是技術弱國,。自主創(chuàng)新能力薄弱，近年來,，為促進我國智能制造裝備產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,，國家提出了大力發(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)濟規(guī)模,。期待有一天中國制造能在全球高端制造領域大放異彩,！ * E7 h- r% e5 r& J F M* M
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發(fā)表于 2018-2-12 11:08:10
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