基于立式加工中心的五軸加工曲面特性分析

齊孟雷

（遼寧機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009）

1 立式五軸數(shù)控加工中心的型式［1］

五軸加工因為多了兩個旋轉(zhuǎn)軸，因而具備了一些三軸加工所沒有的優(yōu)點，如生產(chǎn)率較高和較短的設(shè)定時間，而且極適合用于復(fù)雜幾何曲面的加工，如渦輪葉片、葉輪和其他高附加值的產(chǎn)品。

數(shù)控加工中心機構(gòu)上的運動坐標(biāo)系通常以右手直角笛卡爾坐標(biāo)系定義：X，Y，Z三個線性移動軸和分別繞著X，Y，Z軸旋轉(zhuǎn)的A，B，C軸，線性軸依手指所指方向為正方向，旋轉(zhuǎn)軸依手指指向的順時針為正方向，如圖1所示。所以五軸數(shù)控加工中心泛指包含3個直線軸及2個旋轉(zhuǎn)軸，可同時進五軸同步運動加工的機器。因為5軸數(shù)控加工中心具備5個自由度，若按旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向不同來規(guī)劃刀具的切削移動方向則可以配置出許多型式，見表1。從中歸納出的3種最基本的五軸立式加工中心的布局如圖2所示。

圖1 右手坐標(biāo)系定義示意圖

因為五軸立式加工中心的旋轉(zhuǎn)軸配置方式不同，故加工特性也不同，應(yīng)根據(jù)加工工件來選擇適當(dāng)?shù)募庸ぶ行?，以避免加工困難和精度不夠。不同構(gòu)型五軸立式加工中心的加工特性如下：

（1）型式a：工作臺傾斜型，即兩旋轉(zhuǎn)軸在工作臺。①主軸可在X，Y，Z三軸上作移動，平臺在A，C軸上可旋轉(zhuǎn)；②此型式為在一般三軸機器的平臺上加裝傾斜與旋轉(zhuǎn)伺服機構(gòu)，降低夾具成本，是最經(jīng)濟的方式，也是應(yīng)用較普遍的機型；③主軸負(fù)載較小、剛性高，可承受重切削；④沿C軸動作，在環(huán)形和輪廓外形上有較好的復(fù)雜曲面加工能力；⑤適用于中小型工件加工，因為大型工件需要較大扭矩的旋轉(zhuǎn)移動平臺；⑥實際加工時，只需沿著Z軸就能輕松進退刀，加工傾斜面及孔時，可用三軸加工進行程序設(shè)計，并可用刀具補償功能。

（2）型式b：主軸傾斜型，即兩旋轉(zhuǎn)軸在刀具軸。①由主軸頭在旋轉(zhuǎn)分度以及傾斜分度的動作來完成切削加工；②因主軸具有5個自由度，不適合重切削；③適合大型工件加工，如汽車鈑金模具或航天零件。

（3）型式c：工作臺／主軸傾斜型，即兩個旋轉(zhuǎn)軸分別在刀具軸及工作臺，具有3個平移和1個旋轉(zhuǎn)自由度的主軸及一個旋轉(zhuǎn)平臺。

表1 五軸立式加工中心的旋轉(zhuǎn)軸位置型式分類

2 五軸加工特性分析

傳統(tǒng)三軸數(shù)控加工中心只有3個正交的X，Y，Z軸，刀具只能沿著此三軸做線性平移，而使加工工件幾何形狀受限，而五軸數(shù)控加工中心多了2個旋轉(zhuǎn)軸，在同步運動控制下，允許刀具以適當(dāng)?shù)膬A斜方向?qū)ぜ庸?，銑刀?jīng)由刀軸方向改變而提高表面精度及提升加工效率。圖3為三軸加工中心在凹凸曲面加工路徑中出現(xiàn)的干涉。

圖2 五軸立式加工中心的布局

圖3 三軸加工中心曲面加工中的干涉現(xiàn)象

圖4 為三軸與五軸齒輪加工模式比較。三軸聯(lián)動數(shù)控機床利用端銑刀銑削加工齒輪時，由于機床無法旋轉(zhuǎn)刀具軸向，只能線性移動加工銑削齒輪表面輪廓，其表面加工紋理如圖4（a）所示，在齒輪高速傳動時，兩齒面間的摩擦?xí)斐蓢Ш线\動不順暢且噪聲較大，故該加工方式只適用于低轉(zhuǎn)速機械傳動齒輪的加工。采用五軸數(shù)控加工中心進行齒輪銑削加工時，因刀具軸向可根據(jù)加工方式改變，也可規(guī)劃不同刀具進給方向或可規(guī)劃較小的刀具路徑間距來滿足需求，可得到良好的加工結(jié)果，所以五軸加工較三軸加工效果好。

3 結(jié)論

綜上所述，應(yīng)用五軸加工的特點如下（見圖5）：①加工多個斜角倒勾曲面時，利用旋轉(zhuǎn)軸直接旋轉(zhuǎn)工件可避免刀具干涉，并節(jié)省校正精度的時間；②采用五軸加工方式及刀軸角度變化，可以避免刀具頂點摩擦，延長刀具壽命；③使用刀側(cè)切削可減少加工道次，獲得最佳質(zhì)量，提升加工效能；④當(dāng)傾斜角很大時，可降低工件變形量；⑤可減少使用各種成型刀，通常用一般刀具即能完成加工。

圖4 三軸與五軸齒輪加工模式比較

圖5 五軸加工特點

［1］ 趙岐剛，于世忠.數(shù)控銑床零件加工技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.