五轴联动加工技术与双轴转台结构设计

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1、五轴联动加工技术与双轴转台结构设计五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力，堪称“制造业之灵魂”。五轴联动技术是我国走向强国的关键技术，尤其是把我国从制造大国转变成制造强国的基石，因为制造业包括的范围很广领域较多，所以针对不同的工件则需要具有不同特点的设备，其中五轴联动机床的布局方案较多，各有各的优缺点。1.1五轴联动机床发展五轴联动机床，满足空间曲面及任意轮廓的加工，一

2、次装夹完成大量的加工工序，保证精度要求。特别航空领域加工工艺的要求，对五轴联动机床提出多轴联动的同时，还要求机床主轴有较高的转速，因而在五轴联动机床上还应用了诸如高速主轴、高速控制系统、先进刀具技术等，首先是采用直线电机驱动技术。经过十几年的发展,直线电机技术已经非常成熟。其次是采用双驱动技术。对于较宽工作台或龙门架型式,如果采用中间驱动,实际无法保证驱动力在中心,容易造成倾斜,使得动态性能较差。使用双驱动,能使动态性能非常完美。1.2五轴联动机床的种类及特点五轴联动机床有立式、卧式和摇篮式、NC

3、工作台、C工作台+NC分度头、C工作台十90OB轴C工作台+45oB轴、C工作台+A轴、轴NC主轴等类型。如（图1）图11.2.1立式五轴加工中心这类加工中心是工作台回转轴。设置在床身上的工作台可以环38图2立式双轴回转工作台绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，在图示的位置上环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为

4、0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。另一种是依靠立式主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90

5、度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点：我们在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，38图3主轴回转的立式五轴加工中心令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量。这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难

6、以做到的。为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内，当然这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高。立式加工中心的主轴重力向下，轴承高速空运转的径向受力是均等的，回转特性很好，因此可提高转速，一般高速可达1,2000r/min以上，实用的最高转速已达到4,0000转。主轴系统都配有循环冷却装置，循环冷却油带走高速回转产生的热量，通过制冷器降到合适的温度，再流回主轴系统。X、Y、Z三直线轴也可采用直线光栅尺反馈，双向定位精度在微米级以内。由于快速进给达到40～60

7、m/min以上，X、Y、Z轴的滚珠丝杠大多采用中心式冷却，同主轴系统一样，由经过制冷的循环油流过滚珠丝杠的中心，带走热量。1.2.2卧式五轴加工中心此类加工中心的回转轴也有两种方式，一种是卧式主轴摆动作为一个回转轴，再加上工作台的一个回转轴，实现五轴联动加工。这种设置方式简便灵活，如需要主轴立、卧转换，工作台只需分度定位，即可简单地配置为立、卧转换的三轴加工中心。由主轴立、卧转换配合工作台分度，对工件实现五面体加工，制造成本降低，又非常实用。也可对工作台设置数控轴，最小分度值0.001度，但不作联

8、动，成为立、卧转换的四轴加工中心，适应不同加工要求，价格非常具有竞争力。4卧式双轴回转工作台另一种为传统的工作台回转轴（图），设置在床身上的工作台A轴一般工作范围20度至-100度。工作台的中间也设有一个回转台B轴，B轴可双向360度回转。这种卧式五轴加工中心的联动特性比第一种方式好，常用于加工大型叶轮的复杂曲面。回转轴也可配置圆光栅尺反馈，分度精度达到几秒，当然这种回转轴结构比较复杂，价格也昂贵。38目前卧式加工中心工作台可以做到大于1.25m2，对第一种五轴设置方式没有什么影响