五軸加工中心介紹及其和三軸、四軸的區(qū)別

    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(zhuǎn)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(fā)展，工件一次裝夾就可完成五面體的加工。如配置上五軸聯(lián)動(dòng)的高檔數(shù)控系統(tǒng)，還可以對復(fù)雜的空間曲面進(jìn)行高精度加工。

立式五軸加工中心

    這類加工中心的回轉(zhuǎn)軸有兩種方式，一種是工作臺回轉(zhuǎn)軸。設(shè)置在床身上的工作臺可以環(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。工作臺的中間還設(shè)有一個(gè)回轉(zhuǎn)臺，在圖示的位置上環(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。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)然這需要高檔的數(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)比較簡單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺不能設(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)對工作臺帶來很大的承載力矩。

    另一種是依靠立式主軸頭的回轉(zhuǎn)（圖）。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。這種設(shè)計(jì)還有一大優(yōu)點(diǎn)：我們在使用球面銑刀加工曲面時(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。

主軸回轉(zhuǎn)的立式五軸加工中心

    立式加工中心的主軸重力向下，軸承高速空運(yùn)轉(zhuǎn)的徑向受力是均等的，回轉(zhuǎn)特性很好，因此可提高轉(zhuǎn)速，一般高速可達(dá)1,2000r/min以上，實(shí)用的最高轉(zhuǎn)速已達(dá)到4,0000轉(zhuǎn)。主軸系統(tǒng)都配有循環(huán)冷卻裝置，循環(huán)冷卻油帶走高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，通過制冷器降到合適的溫度，再流回主軸系統(tǒng)。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(nèi)。由于快速進(jìn)給達(dá)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(tǒng)一樣，由經(jīng)過制冷的循環(huán)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(zhuǎn)軸也有兩種方式，一種是臥式主軸擺動(dòng)作為一個(gè)回轉(zhuǎn)軸，再加上工作臺的一個(gè)回轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工。這種設(shè)置方式簡便靈活，如需要主軸立、臥轉(zhuǎn)換，工作臺只需分度定位，即可簡單地配置為立、臥轉(zhuǎn)換的三軸加工中心。由主軸立、臥轉(zhuǎn)換配合工作臺分度，對工件實(shí)現(xiàn)五面體加工，制造成本降低，又非常實(shí)用。也可對工作臺設(shè)置數(shù)控軸，最小分度值0.001度，但不作聯(lián)動(dòng)，成為立、臥轉(zhuǎn)換的四軸加工中心，適應(yīng)不同加工要求，價(jià)格非常具有競爭力。

    另一種為傳統(tǒng)的工作臺回轉(zhuǎn)軸，設(shè)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(shè)有一個(gè)回轉(zhuǎn)臺 B軸，B軸可雙向360度回轉(zhuǎn)。這種臥式五軸加工中心的聯(lián)動(dòng)特性比第一種方式好，常用于加工大型葉輪的復(fù)雜曲面�；剞D(zhuǎn)軸也可配置圓光柵尺反饋，分度精度達(dá)到幾秒，當(dāng)然這種回轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價(jià)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(shè)置方式?jīng)]有什么影響。但是第二種五軸設(shè)置方式比較困難，因?yàn)?.25m2的工作臺做A軸的回轉(zhuǎn)，還要與工作臺中間的B軸回轉(zhuǎn)臺聯(lián)動(dòng)確實(shí)勉為其難。臥式加工中心的主軸轉(zhuǎn)速一般在10,000rpm以上，由于臥式設(shè)置的主軸在徑向有自重力，軸承高速空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(dá)20,000rpm。臥式加工中心快速進(jìn)給達(dá)到30～60m/min以上，主軸電機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般立式加工中心，是重型機(jī)械加工的首選。

    加工中心大多可設(shè)計(jì)成雙工作臺交換，當(dāng)一個(gè)工作臺在加工區(qū)內(nèi)運(yùn)行，另一工作臺則在加工區(qū)外更換工件，為下一個(gè)工件的加工做準(zhǔn)備，工作臺交換的時(shí)間視工作臺大小，從幾秒到幾十秒即可完成。最新設(shè)計(jì)的加工中心考慮到結(jié)構(gòu)上要適合組成模塊式制造單元（FMC）和柔性生產(chǎn)線（FMS），模塊式制造單元一般至少有兩臺加工中心和四個(gè)交換工作臺組成，加工中心全部并排放置，交換工作臺在機(jī)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(shè)計(jì)。兩邊各有一個(gè)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(huì)按照系統(tǒng)指令，把裝著工件的交換工作臺送進(jìn)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(gè)工位或直接送到下料工位，完成整個(gè)加工操作。柔性生產(chǎn)線除了小車、交換工作臺之外，還有統(tǒng)一的刀具庫，一般會(huì)有幾百把刀具，在系統(tǒng)中存入刀具的身份編碼信息，再通過刀具輸送系統(tǒng)送進(jìn)加工中心，并把用完的刀具取回，柔性生產(chǎn)線往往還需要一臺FMS的控制器來指揮運(yùn)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(shù)控機(jī)床展覽會(huì)”上，展出了多臺國內(nèi)生產(chǎn)的五軸加工中心。如濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)公司展出的龍門式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，工作臺長6m,寬2m，采用立式主軸回轉(zhuǎn)，A軸轉(zhuǎn)角±100度，C軸轉(zhuǎn)角±200度，這個(gè)龐然大物吸引了許多參觀者，它標(biāo)志著中國數(shù)控機(jī)床工業(yè)達(dá)到了先進(jìn)水平。上海第三機(jī)床廠、第四機(jī)床廠制造的立臥加工中心，工作臺630mm2，采用高速內(nèi)冷電主軸，主軸可立、臥轉(zhuǎn)換，工作臺可以360度等分，類似于上述簡單配置為立、臥轉(zhuǎn)換的三軸加工中心，可對工件實(shí)現(xiàn)五面體加工，盡管還沒有配置五軸，也非常實(shí)用。

加工中心的發(fā)展與未來

    現(xiàn)在加工中心逐漸成為機(jī)械加工業(yè)中最主要的設(shè)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(fā)展。品種：有新型的立、臥五軸聯(lián)動(dòng)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(fù)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(chǎn)效率高且具備柔性化。性能：普遍采用了萬轉(zhuǎn)以上的電主軸，最高可達(dá)6～10萬轉(zhuǎn)；直線電機(jī)的應(yīng)用使機(jī)床加速度達(dá)到了3-5g；執(zhí)行ISO/VDI檢測標(biāo)準(zhǔn)，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(fù)合功能，結(jié)構(gòu)上適合于組成模塊式制造單元（FMC）和柔性生產(chǎn)線（FMS），并具有機(jī)電、通訊一體化功能。

    領(lǐng)先一步的機(jī)床制造商正在構(gòu)想2010年的“加工中心”，它將是萬能型的設(shè)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(dòng)地從材料送進(jìn)，到成品產(chǎn)出，粗精加工、淬硬處理、超精加工，自動(dòng)檢測、自動(dòng)校正，將無所不能。設(shè)備將重視環(huán)保、節(jié)能，呈現(xiàn)出綠色制造業(yè)的標(biāo)志。21世紀(jì)時(shí)代特征的IT功能是絕對不可少的，設(shè)備將通過網(wǎng)絡(luò)與外界交換信息，獲得最新的技術(shù)成果，人類的智慧將在高科技產(chǎn)品加工中心上得到充分的展現(xiàn)。