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五軸加工中心簡介

2015-03-26 09:45:11      點擊:
       立式加工中心(三軸)最有效的加工面僅為工件的頂面,臥式加工中心借助回轉工作臺,也只能完成工件的四面加工。目前高檔的加工中心正朝著五軸控制的方向發展,工件一次裝夾就可完成五面體的加工。如配置上五軸聯動的高檔數控系統,還可以對復雜的空間曲面進行高精度加工。
立式五軸加工中心

圖1 工作臺回轉的立式五軸加工中心

這類加工中心的回轉軸有兩種方式,一種是工作臺回轉軸(圖1)。設置在床身上的工作臺可以環繞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,在圖示的位置上環繞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。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三直線軸實現聯動,就可加工出復雜的空間曲面,當然這需要高檔的數控系統、伺服系統以及軟件的支持。這種設置方式的優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2 主軸回轉的立式五軸加工中心

另一種是依靠立式主軸頭的回轉(圖2)。主軸前端是一個回轉頭,能自行環繞Z軸360度,成為C軸,回轉頭上還帶可環繞X軸旋轉的A軸,一般可達±90度以上,實現上述同樣的功能。這種設置方式的優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、巨大的發動機殼都可以在這類加工中心上加工。這種設計還有一大優點:我們在使用球面銑刀加工曲面時,當刀具中心線垂直于加工面時,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。
立式加工中心的主軸重力向下,軸承高速空運轉的徑向受力是均等的,回轉特性很好,因此可提高轉速,一般高速可達1,2000r/min以上,實用的最高轉速已達到4,0000轉。主軸系統都配有循環冷卻裝置,循環冷卻油帶走高速回轉產生的熱量,通過制冷器降到合適的溫度,再流回主軸系統。X、Y、Z三直線軸也可采用直線光柵尺反饋,雙向定位精度在微米級以內。由于快速進給達到40~60m/min以上,X、Y、Z軸的滾珠絲杠大多采用中心式冷卻,同主軸系統一樣,由經過制冷的循環油流過滾珠絲杠的中心,帶走熱量。
臥式五軸加工中心
此類加工中心的回轉軸也有兩種方式,一種是臥式主軸擺動作為一個回轉軸,再加上工作臺的一個回轉軸,實現五軸聯動加工。這種設置方式簡便靈活,如需要主軸立、臥轉換,工作臺只需分度定位,即可簡單地配置為立、臥轉換的三軸加工中心。由主軸立、臥轉換配合工作臺分度,對工件實現五面體加工,制造成本降低,又非常實用。也可對工作臺設置數控軸,最小分度值0.001度,但不作聯動,成為立、臥轉換的四軸加工中心,適應不同加工要求,價格非常具有競爭力。

圖3 工作臺回轉的臥式五軸加工中心葉輪

另一種為傳統的工作臺回轉軸(圖3),設置在床身上的工作臺A軸一般工作范圍+20度至-100度。工作臺的中間也設有一個回轉臺 B軸,B軸可雙向360度回轉。這種臥式五軸加工中心的聯動特性比第一種方式好,常用于加工大型葉輪的復雜曲面;剞D軸也可配置圓光柵尺反饋,分度精度達到幾秒,當然這種回轉軸結構比較復雜,價格也昂貴。
目前臥式加工中心工作臺可以做到大于1.25m2,對第一種五軸設置方式沒有什么影響。但是第二種五軸設置方式比較困難,因為1.25m2的工作臺做A軸的回轉,還要與工作臺中間的B軸回轉臺聯動確實勉為其難。臥式加工中心的主軸轉速一般在10,000rpm以上,由于臥式設置的主軸在徑向有自重力,軸承高速空運轉時徑向受力不均等,加上還要采用較大的BT50刀柄,一般最高可達20,000rpm。臥式加工中心快速進給達到30~60m/min以上,主軸電機功率22-40KW以上,刀庫容量按需要可從40把增加到160把,加工能力遠遠超過一般立式加工中心,是重型機械加工的首選。
加工中心大多可設計成雙工作臺交換,當一個工作臺在加工區內運行,另一工作臺則在加工區外更換工件,為下一個工件的加工做準備,工作臺交換的時間視工作臺大小,從幾秒到幾十秒即可完成。最新設計的加工中心考慮到結構上要適合組成模塊式制造單元(FMC)和柔性生產線(FMS),模塊式制造單元一般至少有兩臺加工中心和四個交換工作臺組成,加工中心全部并排放置,交換工作臺在機床前一字形排開,交換工作臺多的可以排成兩行、甚至雙層設計。兩邊各有一個工位作為上下工件的位置,其余工位上的交換工作臺安裝著工件等待加工,有一輛小車會按照系統指令,把裝著工件的交換工作臺送進加工中心,或從加工中心上取出完成加工的交換工作臺,送到下一個工位或直接送到下料工位,完成整個加工操作。柔性生產線除了小車、交換工作臺之外,還有統一的刀具庫,一般會有幾百把刀具,在系統中存入刀具的身份編碼信息,再通過刀具輸送系統送進加工中心,并把用完的刀具取回,柔性生產線往往還需要一臺FMS的控制器來指揮運行。
過去五軸加工中心多為德國、美國、日本、意大利制造,令人欣喜的是今年3月在上海舉行的“中國數控機床展覽會”上,展出了多臺國內生產的五軸加工中心。如濟南二機床集團公司展出的龍門式五軸聯動加工中心,工作臺長6m,寬2m,采用立式主軸回轉,A軸轉角±100度,C軸轉角±200度,這個龐然大物吸引了許多參觀者,它標志著中國數控機床工業達到了先進水平。上海第三機床廠、第四機床廠制造的立臥加工中心,工作臺630mm2,采用高速內冷電主軸,主軸可立、臥轉換,工作臺可以360度等分,類似于上述簡單配置為立、臥轉換的三軸加工中心,可對工件實現五面體加工,盡管還沒有配置五軸,也非常實用。
加工中心的發展與未來
現在加工中心逐漸成為機械加工業中最主要的設備,它加工范圍廣,使用量大。近年來在品種、性能、功能方面有很大的發展。品種:有新型的立、臥五軸聯動加工中心,可用于航空、航天零件加工;有專門用于模具加工的高性能加工中心,集成三維CAD/CAM對模具復雜的曲面超精加工;有適用于汽車、摩托車大批量零件加工的高速加工中心,生產效率高且具備柔性化。性能:普遍采用了萬轉以上的電主軸,最高可達6~10萬轉;直線電機的應用使機床加速度達到了3-5g;執行ISO/VDI檢測標準,促使制造商提高加工中心的雙向定位精度。功能:糅合了激光加工的復合功能,結構上適合于組成模塊式制造單元(FMC)和柔性生產線(FMS),并具有機電、通訊一體化功能。
領先一步的機床制造商正在構想2010年的“加工中心”,它將是萬能型的設備,可用于車、銑、磨、激光加工等,成為真正意義上的加工中心。全自動地從材料送進,到成品產出,粗精加工、淬硬處理、超精加工,自動檢測、自動校正,將無所不能。設備將重視環保、節能,呈現出綠色制造業的標志。21世紀時代特征的IT功能是絕對不可少的,設備將通過網絡與外界交換信息,獲得最新的技術成果,人類的智慧將在高科技產品加工中心上得到充分的展現。
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