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前 言 在現代制造業中，精密機械加工日趨普遍。實現精密加工的高檔數控機床、模具處于制造業產業鏈的最前端，而模具產品質量的高低在很大程度上又受制于數控設備。在激烈的市場競爭中，制造業要求更短的生產周期、更高的加工質量以及更快的產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采用了高端的數控加工機床：五軸加工機床。 圖1 五軸聯動機床 五軸聯動數控機床系統是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發電機轉子、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，該機床系統對一個國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫療設備等等行業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。現實是，在金屬切削過程中，工件與刀具之間會產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），而且可在計算機數控系統控制下同時協調運動進行加工。數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。即數控機床有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三直線軸實現聯動，就可加工出復雜的空間曲面，當然這需要數控系統、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，能自行環繞Z軸360度，成為C軸，回轉頭上還有帶可環繞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。 圖5 主軸傾斜型機床 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。 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和垂直狀態，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，特別是航空航天工業中占有重要的地位。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，可實現小模數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水平的象征。而代表機床制造業最高境界的是五軸聯動數控機床系統，從某種意義上說，它反映了一個國家的工業發展水平狀況。長期以來，以美國為首的西方工業發達國家，一直把五軸聯動數控機床系統作為重要的戰略物資，實行出口許可證制度。在高端裝備制造領域，我國已經是生產大國，但仍然是技術弱國。自主創新能力薄弱，近年來，為促進我國智能制造裝備產業快速發展，國家提出了大力發展戰略性新興產業的重大戰略方向，初步形成一定的經濟規模。期待有一天中國制造能在全球高端制造領域大放異彩！
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發表于 2018-2-12 11:08:10
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