五軸聯(lián)動數(shù)控機床的結構和應用

劉敏 羅建

(1.揚州市職業(yè)大學,江蘇揚州 225009;2.江蘇邗建集團有限公司,江蘇揚州 225009)

五軸聯(lián)動數(shù)控機床的結構和應用

劉敏1羅建2

(1.揚州市職業(yè)大學,江蘇揚州 225009;2.江蘇邗建集團有限公司,江蘇揚州 225009)

介紹了五軸聯(lián)動數(shù)控機床產(chǎn)生的背景,指出五維多軸聯(lián)動的基本定義,闡述了幾種常用的五軸聯(lián)動機床編程的CAD/CAM系統(tǒng),以手柄模型為例進行五軸聯(lián)動加工。

五軸 聯(lián)動 加工中心

1 五軸聯(lián)動機床產(chǎn)生的背景

五軸加工中心也叫五軸聯(lián)動加工中心,是一種科技含量高、精密度高專門用于加工復雜曲面的加工中心,這種加工中心系統(tǒng)對一個國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設備等等行業(yè)有著舉足輕重的影響力。目前,五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)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。

五軸聯(lián)動加工中心有高效率、高精度的特點,工件一次裝夾就可完成復雜的加工。能夠適應像汽車零部件、飛機結構件等現(xiàn)代產(chǎn)品與模具的加工。五軸加工中心是一種高科技的手段,它讓不可能變成了可能,一切的空間曲面,異型加工都可以完成實現(xiàn)。它不但能夠完成復雜工件完成機械化加工的任務,而且還能夠快速提高加工效率,縮短加工流程。

2 五維多軸聯(lián)動的基本定義

通常的數(shù)控機床都是三維的,從數(shù)學意義上分類,維數(shù)是指機床在運動過程中所涉及的坐標系;軸數(shù)是指有幾根主軸(不包括次要的軸);聯(lián)動是指可以同時運動并參與插補維數(shù)的主軸數(shù)。例如,有5根主軸,可以同時運動,沒有互鎖,但僅能在三維內(nèi)實現(xiàn)同時運動并完成插補,這個數(shù)控機床是三維聯(lián)動五主軸同動數(shù)控機床。只是具有xyz三個紙箱坐標運動的五根軸的三維數(shù)控機床,即三軸聯(lián)動數(shù)控機床。在通常的定義中,許多人把主軸的個數(shù)與機床運動的維數(shù)搞混,把聯(lián)動和同動搞混,把幾個軸作為衡量數(shù)控機床水平是不嚴密的。本文的“五軸聯(lián)動”是簡稱,嚴格的講應該是五維多軸聯(lián)動數(shù)控機床。

五軸數(shù)控機床一般是指五個數(shù)字控制系統(tǒng)在五個坐標軸系內(nèi)同時完成運動和插補的機床。通常必須具有xyz三個直線運動坐標外,另外還有兩個回轉運動軸坐標。數(shù)控機床的聯(lián)動是指三個直線運動坐標x、y、z和A、B、C三個轉動中任意兩個坐標的組合。通常我們定義:繞x、y、z軸的旋轉坐標系分別為A、B、C軸,具體位置關系見圖1。一般它們都采用線性插補運動實現(xiàn)聯(lián)動。

圖1 六個坐標的定義方法

圖2 手柄模型

在實際工程中,這些數(shù)控軸卻不一定全部都同時參與插補和實現(xiàn)聯(lián)動,其中有多少數(shù)控軸可以同時參與插補和實現(xiàn)聯(lián)動,其中有多少數(shù)控軸可以同時參與位置點計算和插補計算的就叫幾維聯(lián)動,通常被我們稱為幾軸聯(lián)動。于是,我們就會聽到這種講法:5軸4聯(lián)動數(shù)控機床、5軸9聯(lián)動數(shù)控機床等等。

3 五軸聯(lián)動機床加工的造型和編程

五軸加工一般不可能再用手工編程,編制加工程序必須采用C A D/C A M系統(tǒng)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,C A D/C A M技術在五軸聯(lián)動、五面體加工等高端的應用也已經(jīng)相當廣泛,在中國,引進的有關CAD/CAM系統(tǒng)就有Cimatron,Delcam,Mastercam,UG,Solidege,Solid-works, Pro/Engineer等,國內(nèi)自主品牌的CAD/CAM系統(tǒng)幾乎只有北航海爾的CAXA系統(tǒng)。對于五軸加工,根據(jù)不同的加工對象,這些系統(tǒng)各有所長,比如說,在磨具制造的五軸加工方面,Delcam的Powermill功能在特征技術、后處理、干涉檢查、加工循環(huán)和仿真切削等方面都比較強大,操作使用方便。針對不同的加工行業(yè)和加工對象,好的CAM系統(tǒng)都有相應的軟件包,專業(yè)專用,很難有一種軟件可以包打天下。

圖3

圖4 加工仿真圖

圖5 加工零件

4 典型五軸零件的加工

加工圖2所示的手柄模型零件,材料鋁合金,零件尺寸φ60X100mm,加工要求表面精度Ra3.2。數(shù)控機床Huron K2X8 Five。

4.1 零件的工藝分析

根據(jù)所給的三維零件,根據(jù)零件模型確定零件的毛坯尺寸φ60X100mm,零件屬于五軸聯(lián)動加工類型零件,不需要補孔。

4.2 制定數(shù)控加工工藝路線

分析零件的數(shù)控加工工藝,制定加工路線和加工策略:工序1,開粗,加工模型上半部分,φ10立銑刀,徑向加工余量0.15,軸向加工余量0.15,公差0.1。工序2,開粗,加工模型下半部分,φ10立銑刀,徑向加工余量0.15,軸向加工余量0.15,公差0.1。工序3,精加工,加工曲面,φ6球刀,加工余量為0,公差0.01。工序4,刻字,加工文字,φ1球頭,加工余量為0,公差0.01。

4.3 數(shù)控編程(如圖3)

仿真結果如圖4所示將程序導入五軸加工中心,進行加工,加工結果如圖5所示。

5 結語

五軸聯(lián)動機床的使用比三軸機床要復雜許多,使用成本也高出許多,對編程、操作人員的要求也要高出許多,但是采用五軸聯(lián)動機床可以一次裝夾工件,完成除了裝夾面以外的其它所有面的加工,有效的解決了多次裝夾引起的誤差,節(jié)省了裝夾時間;其次是可以做到普通三軸機床因刀具“干涉”而不能加工的工件,如葉輪等。因此,使用五軸機床可以高效的加工出三軸機床不可能得到的高精度的零件。

[1]馬巖,王毅亮,羅閣.五軸聯(lián)動數(shù)控木工機床的運動原理與結構特點[J].木工機床,2010 No.25-10.

[2]杜玉湘,陸啟建,劉明.五軸聯(lián)動數(shù)控機床的結構和應用[J].機械制造與自動化,2008.37(3).

[3]張伯霖.高速切削技術及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[4]陶學恒,馬麗敏.五軸聯(lián)動并聯(lián)機床的三維實體建模及運動仿真[J].《機械工程師》，2005(9):48-49.

劉敏(1982—),女,揚州市職業(yè)大學講師,碩士。