五軸加工中心簡介

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tags: 五軸加工中心    時間:2014-03-12 03:28:13
五軸加工中心簡介簡介
立式加工中心(三軸)最有效的加工面僅為工件的頂面,卧式加工中心藉助迴轉工作台,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……
五軸加工中心簡介正文

立式加工中心(三軸)最有效的加工面僅為工件的頂面,卧式加工中心藉助迴轉工作台,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,還可以對複雜的空間曲面進行高精度加工。

立式五軸加工中心

圖1 工作台迴轉的立式五軸加工中心

這類加工中心的迴轉軸有兩種方式,一種是工作台迴轉軸(圖1)。設置在床身上的工作台可以環繞X軸迴轉,定義為A軸,A軸一般工作範圍+30度至-120度。工作台的中間還設有一個迴轉台,在圖示的位置上環繞Z軸迴轉,定義為C軸,C軸都是360度迴轉。這樣通過A軸與C軸的組合,固定在工作台上的工件除了底面之外,其餘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,就可加工出複雜的空間曲面,當然這需要高檔的數控系統、伺服系統以及軟體的支持。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,製造成本比較低。但一般工作台不能設計太大,承重也較小,特別是當A軸迴轉大於等於90度時,工件切削時會對工作台帶來很大的承載力矩。

圖2 主軸迴轉的立式五軸加工中心

  • 另一種是依靠立式主軸頭的迴轉(圖2)。主軸前端是一個迴轉頭,能自行環繞Z軸360度,成為C軸,迴轉頭上還帶可環繞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,工作台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,當刀具中心線垂直於加工面時,由於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,採用主軸迴轉的設計,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,這是工作台迴轉式加工中心難以做到的。為了達到迴轉的高精度,高檔的迴轉軸還配置了圓光柵尺反饋,分度精度都在幾秒以內,當然這類主軸的迴轉結構比較複雜,製造成本也較高。

  • 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,迴轉特性很好,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迴轉產生的熱量,通過製冷器降到合適的溫度,再流回主軸系統。X、Y、Z三直線軸也可採用直線光柵尺反饋,雙向定位精度在微米級以內。由於快速進給達到40~60m/min以上,X、Y、Z軸的滾珠絲杠大多採用中心式冷卻,同主軸系統一樣,由經過製冷的循環油流過滾珠絲杠的中心,帶走熱量。

    卧式五軸加工中心


  • 此類加工中心的迴轉軸也有兩種方式,一種是卧式主軸擺動作為一個迴轉軸,再加上工作台的一個迴轉軸,實現五軸聯動加工。這種設置方式簡便靈活,如需要主軸立、卧轉換,工作台只需分度定位,即可簡單地配置為立、卧轉換的三軸加工中心。由主軸立、卧轉換配合工作台分度,對工件實現五面體加工,製造成本降低,又非常實用。也可對工作台設置數控軸,最小分度值0.001度,但不作聯動,成為立、卧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 工作台迴轉的卧式五軸加工中心葉輪

  • 另一種為傳統的工作台迴轉軸(圖3),設置在床身上的工作台A軸一般工作範圍+20度至-100度。工作台的中間也設有一個迴轉台 B軸,B軸可雙向360度迴轉。這種卧式五軸加工中心的聯動特性比第一種方式好,常用於加工大型葉輪的複雜曲面。迴轉軸也可配置圓光柵尺反饋,分度精度達到幾秒,當然這種迴轉軸結構比較複雜,價格也昂貴。

  • 目前卧式加工中心工作台可以做到大於1.25m2,對第一種五軸設置方式沒有什麼影響。但是第二種五軸設置方式比較困難,因為1.25m2的工作台做A軸的迴轉,還要與工作台中間的B軸迴轉台聯動確實勉為其難。卧式加工中心的主軸轉速一般在10,000rpm以上,由於卧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,加上還要採用較大的BT50刀柄,一般最高可達20,000rpm。卧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台交換,當一個工作台在加工區內運行,另一工作台則在加工區外更換工件,為下一個工件的加工做準備,工作台交換的時間視工作台大小,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製造單元(FMC)和柔性生產線(FMS),模塊式製造單元一般至少有兩台加工中心和四個交換工作台組成,加工中心全部並排放置,交換工作台在機床前一字形排開,交換工作台多的可以排成兩行、甚至雙層設計。兩邊各有一個工位作為上下工件的位置,其餘工位上的交換工作台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台送進加工中心,或從加工中心上取出完成加工的交換工作台,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、交換工作台之外,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,並把用完的刀具取回,柔性生產線往往還需要一台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、義大利製造,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,展出了多台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,工作台長6m,寬2m,採用立式主軸迴轉,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,它標誌著中國數控機床工業達到了先進水平。上海第三機床廠、第四機床廠製造的立卧加工中心,工作台630mm2,採用高速內冷電主軸,主軸可立、卧轉換,工作台可以360度等分,類似於上述簡單配置為立、卧轉換的三軸加工中心,可對工件實現五面體加工,儘管還沒有配置五軸,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,它加工範圍廣,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、卧五軸聯動加工中心,可用於航空、航天零件加工;有專門用於模具加工的高性能加工中心,集成三維CAD/CAM對模具複雜的曲面超精加工;有適用於汽車、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:普遍採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,促使製造商提高加工中心的雙向定位精度。功能:糅合了激光加工的複合功能,結構上適合於組成模塊式製造單元(FMC)和柔性生產線(FMS),並具有機電、通訊一體化功能。

  • 領先一步的機床製造商正在構想2010年的「加工中心」,它將是萬能型的設備,可用於車、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,呈現出綠色製造業的標誌。21世紀時代特徵的IT功能是絕對不可少的,設備將通過網路與外界交換信息,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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