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前 言 在现代制造业中，精密机械加工日趋普遍。实现精密加工的高档数控机床、模具处于制造业产业链的最前端，而模具产品质量的高低在很大程度上又受制于数控设备。在激烈的市场竞争中，制造业要求更短的生产周期、更高的加工质量以及更快的产品改型加工适应能力和更低的制造技术。要满足这些条件，越来越多的制造企业采用了高端的数控加工机床：五轴加工机床。 图1 五轴联动机床 五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。它是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲面的机床，该机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业有着举足轻重的影响力。 一、什么是五轴机床 我们知道，受约束的刀具（或工件）虽然在空间有六个自由度。现实是，在金属切削过程中，工件与刀具之间会产生巨大的切削力和摩擦力，为了防止工件的位置移动，必须将工件夹紧，使之固定。通常我们使用的三轴机床只有三根正交的运动轴，只能实现三个方向的直线移动自由度。因此，沿加工刀轴方向的结构都能加工出来。侧面结构特征无法加工。 图2 笛卡尔坐标系 五轴数控加工就是指在一台机床上至少有5个坐标轴（三个直线坐标和两个旋转坐标），而且可在计算机数控系统控制下同时协调运动进行加工。数控机床的轴意思就是运动轴，其实也算是空间的坐标轴，如坐标的XY轴，没有运动轴有独立的控制器和电机驱动系统。即数控机床有5个伺服轴(不包括主轴)可以同时进行插补(5个伺服轴可以同一时间同时移动进行对一个零件进行加工)。 二、五轴机床的结构 五轴数控机床有多种不同的结构形式，主要分为以下三大类：工作台倾斜型、主轴倾斜型和工作台/主轴倾斜型五轴加工机床。 2.1：工作台倾斜型 设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，在下图所示的位置上环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。 图3 立式加工中心 A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要数控系统、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。 图4 使用案例 2.2：主轴倾斜型 主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还有带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。 图5 主轴倾斜型机床 这种设计还有一大优点：我们在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量。这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内，当然这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高。 图6 使用原理 2.3：工作台/主轴倾斜型 此款设备的旋转轴配置形式是B轴与工作台绕C轴组合一个旋转轴在主轴头的刀具侧，另一个在工作台侧。这类机床的旋转轴结构布置有最大的灵活性，可以是在A.B.C轴中任意两个组合。这类机床的主轴可以旋转为水平状态和垂直状态，工作台只需分度定位，即可简单的配置为立、卧转换的三轴加工中心，将主轴进行立、卧转换再配合工作台分度，对工件实现五面体加工，制造成本低，比较实用。 图7 使用案例 三、五轴机床的应用 五轴联动加工中心适合加工复杂、工序多、要求高、需要多种类型的普通机床和众多刀具夹具，且经多次装夹和调整才能完成加工的零件。 3.1：箱体类零件 箱体类零件一般都需要进行多工位孔隙及平面加工，公差要求较高，特别是形位公差要求较为严格，通常需要经过铣、钻、扩、镗、铰、攻丝等工序，需要刀具较多，在普通机床上加工难度大，需多次装夹、找正，加工精度难以保证。加工箱体类零件时需要工作台多次旋转加工水平方向四个面，用卧式加工中心合适。 图8 工件 3.2：复杂曲面 复杂曲面在机械制造业，特别是航空航天工业中占有重要的地位。复杂曲面采用普通机加工方法是难以甚至无法完成。复杂曲面零件如：各种叶轮、球面、各种曲面成型磨具、螺旋桨以及水下航行器的推进器、以及一些其他形状的自由曲面。这类零件用五轴加工中心最为合适。铣刀作包络面来逼近球面。复杂曲面用加工中心加工时，编程工作量较大，大多数要有自动编程技术。 图9 工件 3.3：异形件 异形件是外形不规则的零件，大都需要点、线、面多工位混合加工。异形件的刚性一般较差，夹压变形难以控制，加工精度也难以保证，甚至某些零件的有的加工部位用普通机床难以完成。用加工中心加工时应采用合理的工艺措施，一次或二次装夹，利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，完成多道工序或全部的工序内容。 图10 工件 3.4：盘套板类零件 带有键槽，或径向孔，或端面有分布的孔系，曲面的盘套或轴类零件，如带法兰的轴套，带键槽或方头的轴类零件等，还有具有较多孔加工的板类零件，如各种电机盖等。端面有分布孔系、曲面的盘类零件宜选择立式加工中心，有径向孔的可选卧式加工中心。 图11 工件 3.5：特殊加工 在熟练掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工装和专用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工艺工作，如在金属表面上刻字、刻线、刻图案；在加工中心的主轴上装上高频电火花电源，可对金属表面进行线扫描表面淬火；用加工中心装上高速磨头，可实现小模数渐开线圆锥齿轮磨削及各种曲线、曲面的磨削等。 图12 工件 结 语 机床是一个国家制造业水平的象征。而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，它反映了一个国家的工业发展水平状况。长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度。在高端装备制造领域，我国已经是生产大国，但仍然是技术弱国。自主创新能力薄弱，近年来，为促进我国智能制造装备产业快速发展，国家提出了大力发展战略性新兴产业的重大战略方向，初步形成一定的经济规模。期待有一天中国制造能在全球高端制造领域大放异彩！
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发表于 2018-2-12 11:08:10
