零件的五軸加工

     在五軸加工的發(fā)展方面，其應(yīng)用主耍是因?yàn)樯�產(chǎn)量的變化。以前，主要集中于各軸的聯(lián)動(dòng)。這一技術(shù)多用于產(chǎn)量極小的模具生產(chǎn)。在飛機(jī)工業(yè)的機(jī)身零件、渦輪和葉片的制造中，五軸加工己應(yīng)用多年。汽車工業(yè)中， 渦輪增壓技術(shù)大大地提高了產(chǎn)量。這主要集中在減少加工循環(huán)時(shí)間方面。

實(shí)際上，五軸加工在大批量生產(chǎn)中的應(yīng)用日益增多， 有些是零件的某些部位確實(shí)需要五軸聯(lián)動(dòng)加工，而有些零件的加工完全不需要五軸聯(lián)動(dòng)。這種應(yīng)用的增多是因?yàn)榱慵�越來越�?fù)雜和零件精度要求越來越高。這類零件是絕大多數(shù)五軸加工的代表(圖1)。在這種情況下，具有一次裝夾完成全部加工的優(yōu)點(diǎn)，采用五軸加工的原因是可提高加工能力和生產(chǎn)效率。

圖1 五軸加工的市場(chǎng)份額

多數(shù)實(shí)用五軸機(jī)床是由三個(gè)直線坐標(biāo)軸和二個(gè)回轉(zhuǎn)軸組成的。除此之外，已經(jīng)證明刀具一側(cè)有三個(gè)直線坐標(biāo)軸加二個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的3+2軸零件定位(耳軸和行星式結(jié)構(gòu))是一種很好的解決方案。另一種創(chuàng)新變型設(shè)計(jì)是刀具一側(cè)使用三個(gè)直線軸和一個(gè)回轉(zhuǎn)軸，工件只用一個(gè)回轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)( 傾斜式頭架結(jié)構(gòu))。下文中將就這兩種結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步探討。全部五軸運(yùn)動(dòng)均由刀具一側(cè)完成，而工作不僅是飛機(jī)和大型模具等大型零件加工中常用的結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)榱慵�尺寸和質(zhì)量太大不可能采用其它結(jié)構(gòu)。最近開發(fā)的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床也正在進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用。

2. 采用耳軸和行星式結(jié)構(gòu)的五軸加工

耳軸和行星式結(jié)構(gòu)的五軸加工機(jī)床通常是在標(biāo)準(zhǔn)三軸機(jī)床的基礎(chǔ)上加上一個(gè)二軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是零件固定在回轉(zhuǎn)中心線上。依據(jù)不同尺寸，聯(lián)動(dòng)加工過程中回轉(zhuǎn)軸改變其角度時(shí)，直線坐標(biāo)補(bǔ)償行程最短。在這種運(yùn)行中及在每次加工循環(huán)終了時(shí)，進(jìn)給全受到五個(gè)坐標(biāo)軸中的任意一軸運(yùn)行狀態(tài)的限制。通常會(huì)由于補(bǔ)償行程過大而受到直線軸的限制。由于其重量和偏移效應(yīng)較大，無法有效地提高直線坐標(biāo)的加速度。與之相反，由于采用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，回轉(zhuǎn)坐標(biāo)很容易實(shí)現(xiàn)高的動(dòng)態(tài)性能。將此與短行程相結(jié)合則有助于縮短加工循環(huán)時(shí)間和提高加工精度。

補(bǔ)償行程短通常與五軸定位無關(guān)，只有在高速加工時(shí)，要求直線坐標(biāo)和回轉(zhuǎn)坐標(biāo)幾乎同時(shí)到達(dá)目標(biāo)位置才會(huì)有問題。由于五軸加工零件越來越復(fù)雜，需要更多種類的刀具，因而在加工循環(huán)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的換刀時(shí)間。另一方面， 由于被加工零件的鑄件非常接近實(shí)際形狀及高性能切削技術(shù)的應(yīng)用，切削時(shí)間在縮短。如圖所示，在加工鋁制汽車轉(zhuǎn)向節(jié)時(shí)，采用創(chuàng)新的五軸加工概念，切屑至切屑時(shí)間只有1.9s，由于在加工左右側(cè)2個(gè)零件時(shí)，所有刀具只要換一次，因此換刀時(shí)間減少了50%。采用了效率更高的上、下料技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)器人單元配合整體原料與成品件存放裝置，有效地減少了非生產(chǎn)時(shí)間。機(jī)器人除為兩臺(tái)機(jī)床上、下料外，還可以擔(dān)負(fù)加清潔、打標(biāo)、測(cè)量等作業(yè)。由于采用可以配備無接縫夾具的行星式工作臺(tái)，不同加工應(yīng)用之間的調(diào)整時(shí)間很短。采用高速直接驅(qū)動(dòng)，可以使二個(gè)工作臺(tái)進(jìn)行鏡像加工，這對(duì)對(duì)稱零件的加工很有意義，例如加工汽車、貨車或飛機(jī)左右兩側(cè)對(duì)稱的零件等。

帶有兩個(gè)工作臺(tái)的Chiron FZ 15K S五軸加工機(jī)床

3. 采用可傾式主軸結(jié)構(gòu)的五軸加工

可傾主軸機(jī)床也是在標(biāo)準(zhǔn)三坐標(biāo)機(jī)床的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的.只是將其中一個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)整合到主軸頭架上，使主軸可從垂直位置做+/-100度的傾斜擺動(dòng)。圖示為大力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，具有很好動(dòng)態(tài)性能的主軸頭架，它可在任意角度位置定位。機(jī)床工作臺(tái)配置了第二回轉(zhuǎn)坐標(biāo)，也是采用大力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)1000r/min。這種立式機(jī)床在加工重型零件方面具有很大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楣ぜ�重量加上附件重量無法用耳軸式擺動(dòng)坐標(biāo)進(jìn)行傾斜加工。傾斜擺動(dòng)就由重量輕得多的主軸來完成。而上、下料則可在一個(gè)水平面上進(jìn)行，操作簡(jiǎn)便。

配備垂直回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的Chiron MILL銑車作業(yè)

工作臺(tái)可在五軸加工過程中以1000r/min的速度回轉(zhuǎn)。因而可以如同更換銑刀一樣，從刀庫(kù)上調(diào)用車刀。在車削作業(yè)過程中，主軸可使車刀始終保持一個(gè)固定傾角，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)則由直線坐標(biāo)完成，從而減少了零件精加工所需的機(jī)床數(shù)量和零件傳輸次數(shù)。

這種主軸可傾式機(jī)床還可以配備水平耳軸擺動(dòng)坐標(biāo)。對(duì)于加工航空工業(yè)用鋁制零件來說，能承載重型零件和夾具的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)是一種很好的解決方案，加工鋁件時(shí)的金屬去除率要比加工普通零件高80%。切除率是項(xiàng)重要指標(biāo)。利用回轉(zhuǎn)的耳軸工作臺(tái)，切屑可直接落下并收入集成于機(jī)床床身的排屑裝置中。

除此耳軸式坐標(biāo)之外，在某些情況下，增加一種簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)或車削主軸，因其具有高效特點(diǎn)，可能更為實(shí)用。這種結(jié)構(gòu)適用于加工棒料或型材。在回轉(zhuǎn)軸中配置一個(gè)內(nèi)徑為65 mm的空心軸，用于安放相當(dāng)直在的棒料和型材。這樣，除了能具有五軸回轉(zhuǎn)功能外，還可以4500r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行車削作業(yè)。當(dāng)零件需要在其一端定心時(shí)，可將卡盤作為尾架，因棒料的長(zhǎng)度無法采用直線NC控制作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。當(dāng)零件從棒料上切下時(shí)，也可利用卡盤使其保持夾持狀態(tài)，然后利用另一個(gè)帶垂直NC坐標(biāo)的工作臺(tái)使其轉(zhuǎn)向。這樣，便可以對(duì)零件的背面進(jìn)行五軸加工，即一次裝夾完成全部車銑加工。若配置成品件的下料功能，便可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)加工。因此，這種極為簡(jiǎn)單的卡頭和夾緊方法，就成為一種最為有效的棒抖加工柔性自動(dòng)化解決方案。這就構(gòu)成了直徑32mm以下零件的五軸加工機(jī)床配置。例如各種儀器、儀表、鐘表等小型高精度零件的生產(chǎn)。請(qǐng)注意，這類零件日益復(fù)雜，甚至五軸聯(lián)動(dòng)加工也無法滿足要求。

為了減少包括空轉(zhuǎn)測(cè)試零件加工程序或首件加工調(diào)試的調(diào)整時(shí)間，計(jì)算機(jī)模擬不失為一種有放工具。最新版本的模擬軟件具有檢測(cè)編程錯(cuò)誤，機(jī)床、刀具、夾具和零件之間的沖突，優(yōu)化刀具長(zhǎng)度與行程等等功能。因此，五鈾加工已經(jīng)沒有什么懸念并得到廣泛應(yīng)用。這類機(jī)床將成為未來各種機(jī)床變型結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。