五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心發(fā)展現(xiàn)狀及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

趙偉宜 曾燕玲

（韶關(guān)市技師學(xué)院，韶關(guān) 512023）

五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心發(fā)展現(xiàn)狀及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

趙偉宜 曾燕玲

（韶關(guān)市技師學(xué)院，韶關(guān) 512023）

五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心是加工汽輪機(jī)、航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)等專用的葉片的機(jī)床，在機(jī)械制造業(yè)具有不可替代的核心地位?，F(xiàn)今葉片的形狀和結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，為保證葉片的精度和質(zhì)量，在葉片加工過(guò)程中必須達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)、高精度，葉片的加工設(shè)備和加工方法也不容忽視。因此，只有研究分析葉片加工中心的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，才能為加工高質(zhì)量的葉片提供有效的參考依據(jù)。

五軸聯(lián)動(dòng)葉片 加工中心 發(fā)展現(xiàn)狀 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

引言

現(xiàn)如今加工制造業(yè)在國(guó)家的地位不言而喻，五軸聯(lián)動(dòng)就是其中至關(guān)重要的一部分，在加工中心的發(fā)展中五軸聯(lián)動(dòng)有著劃時(shí)代的意義。加工中心可以分為兩類，一類是臥式加工中心，這類加工中心比較局限，即使是和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)共同工作的情況下，也只能加工工件的四周輪廓，無(wú)法加工工件其他部位；另一類是立式加工中心，這種加工中心也并不完美，只有在加工工件頂面時(shí)才有效率。而五軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易高效，在加工工件時(shí)只需裝夾一次，就能對(duì)工件的五個(gè)面全部加工，其效率和精度水平在加工中心非常之高，是加工中心發(fā)展的里程碑。

1 概述五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心

葉片式汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、航天發(fā)動(dòng)機(jī)等的核心部件，是輪船和飛機(jī)十分關(guān)鍵的部位，葉片的形狀非常復(fù)雜，葉根圓角結(jié)構(gòu)是由數(shù)個(gè)圓弧共同組成，在空間中呈曲面形狀，一些特殊的葉片葉身中部還會(huì)有陰尼臺(tái)的設(shè)計(jì)。在我國(guó)的葉片設(shè)計(jì)發(fā)展史上，不同時(shí)代葉片的加工設(shè)備和方法也在逐漸更新變革。早期國(guó)內(nèi)采用的是三軸機(jī)床加工葉片，由于設(shè)備比較簡(jiǎn)陋，技術(shù)也不太成熟，大多數(shù)是加工制造一些形狀比較簡(jiǎn)單的葉片，而且工序比較復(fù)雜，效率也不高。通常是加工葉片的其中一個(gè)面，之后翻面加工另一個(gè)面，依次加工葉片的各個(gè)面。三軸機(jī)床加工葉片的方法應(yīng)用較早，在長(zhǎng)時(shí)間的加工中也得到了豐富的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)相對(duì)成熟，因此目前國(guó)內(nèi)仍有采用這種方法加工葉片的。經(jīng)多次改革更新，四軸機(jī)床開(kāi)始應(yīng)用，建立在三軸機(jī)床的基礎(chǔ)上，四軸機(jī)床延續(xù)了三軸機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，也在相對(duì)低效率的手動(dòng)翻面上有了改進(jìn)，其配置的A軸不用多次的手動(dòng)翻面，生產(chǎn)效率也隨之提高。最終有了五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心的出現(xiàn)，加工效率也突飛猛進(jìn)，這也正順應(yīng)了葉片加工的發(fā)展潮流，是葉片加工中心的必然發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)今社會(huì)是發(fā)展科技和加工業(yè)的時(shí)代，國(guó)內(nèi)國(guó)外都需要大量的葉片發(fā)展本國(guó)的機(jī)械制造業(yè)，葉片的形狀逐漸復(fù)雜化，對(duì)葉片加工的設(shè)備要求也越來(lái)越高。目前我國(guó)的五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工應(yīng)用的時(shí)間較短，加工經(jīng)驗(yàn)不夠豐富，技術(shù)也不成熟，而以往的三軸聯(lián)動(dòng)和四軸聯(lián)動(dòng)已不再適用如今復(fù)雜的葉片加工，因此，本文在現(xiàn)有的五軸聯(lián)動(dòng)加工設(shè)備和技術(shù)上，設(shè)計(jì)一種能加工復(fù)雜葉片的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。

2 五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心的發(fā)展現(xiàn)狀

五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心并非加工所有機(jī)床零件，而是會(huì)選擇性地加工航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)和汽輪機(jī)等葉片，此外也會(huì)加工一些形狀窄長(zhǎng)的空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的曲面零件機(jī)床。這些機(jī)床通常都由X、Y、Z、A和B軸組成，X、Y、Z軸是三條直線軸，空間結(jié)構(gòu)和立式加工中心的布置比較相似，不同的是X軸較長(zhǎng)，Y、Z軸較短，如果X軸較長(zhǎng)的話就可以直接用于加工長(zhǎng)葉片，B軸是刀具擺動(dòng)軸，A軸是葉片回旋軸。目前我國(guó)的各種葉片加工中心的生產(chǎn)廠基本被國(guó)外的五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心廠家壟斷，因?yàn)閲?guó)內(nèi)的五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心還處于初級(jí)階段，起步較晚，技術(shù)也不太成熟，而國(guó)外知名的生產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心的廠家占據(jù)著我國(guó)機(jī)床加工市場(chǎng)。

3 五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 B軸的回轉(zhuǎn)中心與刀具主軸的回轉(zhuǎn)中心成45°

五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心對(duì)機(jī)床的規(guī)格非常嚴(yán)格，要求B軸的回轉(zhuǎn)中心與刀具主軸成45°，刀具主軸的刀尖還必須在軸的回轉(zhuǎn)中心上，機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)顯著明確，如圖1所示為五軸聯(lián)動(dòng)葉片的加工。直線軸Y通過(guò)刀具移動(dòng)實(shí)現(xiàn)，直線軸X和Z則通過(guò)工件移動(dòng)實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)不但可消除X、Z軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，有效提高工件的表面加工質(zhì)量，還能阻止切削力產(chǎn)生的扭矩傳輸?shù)紹軸。

圖1 五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工

3.2 B軸的回轉(zhuǎn)中心與刀具主軸的回轉(zhuǎn)中心成90°

五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心要求B軸的回轉(zhuǎn)中心與刀具主軸的回轉(zhuǎn)中心成90°，可通過(guò)兩個(gè)方法實(shí)現(xiàn)，一是使B軸回轉(zhuǎn)中心與刀尖部位基本重合，盡可能偏離刀具主軸中心，二是B軸回轉(zhuǎn)中心刀具主軸重合，然而這兩種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性。方法一的優(yōu)點(diǎn)比較明顯，刀尖的位置離軸回轉(zhuǎn)中心非常近或基本在軸回轉(zhuǎn)中心上，這使B軸在擺動(dòng)時(shí)不會(huì)影響刀尖位置的改變，需要插補(bǔ)的量也很小。如果B軸擺動(dòng)的角度出現(xiàn)誤差，這種幾乎可以忽略的誤差也不會(huì)對(duì)刀尖的位置產(chǎn)生比較大的影響，X、Y軸頻繁的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)會(huì)大大降低，提高了加工的精度，對(duì)軸的要求也有所降低。不足的是B軸在擺動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏心力矩，如果要在設(shè)計(jì)時(shí)平衡掉偏心力矩，這也加大了機(jī)械設(shè)計(jì)的困難度。方法二中刀具主軸的重心基本都在擺動(dòng)中心上，在擺動(dòng)時(shí)比較平衡，誤差較小，有利于機(jī)械設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單化，然而實(shí)際中B軸的擺動(dòng)往往伴隨著X、Z軸的插補(bǔ)，擺動(dòng)角度的誤差帶動(dòng)著X、Z軸的插補(bǔ)誤差，在在擺動(dòng)角度誤差較大時(shí)刀尖位置的誤差也就不容忽視。要想機(jī)床加工比較準(zhǔn)確，對(duì)B軸的擺動(dòng)要求就要非常準(zhǔn)確，不能有偏離的誤差現(xiàn)象，這也給設(shè)計(jì)制造帶來(lái)了困難。

3.3 多主軸葉片加工中心

在占地面積有限的情況下可以選用多主軸葉片加工中心，即加工時(shí)同時(shí)加工多個(gè)葉片，可大大提高了加工效率，也能節(jié)約加工成本。對(duì)規(guī)格較小的葉片加工中心，可以采用雙刀具主軸結(jié)構(gòu)，最大的加工長(zhǎng)度不會(huì)超過(guò)262mm，刀具主軸轉(zhuǎn)速可以達(dá)到30000r/min；有一次能同時(shí)加工兩個(gè)葉片的五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心g-mill550twin，主軸帶有兩個(gè)刀具和A軸；還有能一次同時(shí)加工四個(gè)葉片的五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心，NX系列帶有多個(gè)主軸，其生產(chǎn)效率非常高。

3.4 其他結(jié)構(gòu)

HSTM系列五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心的Y、Z軸運(yùn)動(dòng)通過(guò)刀具實(shí)現(xiàn)，B軸為“T”型結(jié)構(gòu)，X軸運(yùn)動(dòng)通過(guò)工件實(shí)現(xiàn)，采用45°斜床身，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 1V5X1800

3.5 并聯(lián)葉片加工中心

五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心在葉片質(zhì)量較輕時(shí)可依據(jù)刀具軸的運(yùn)動(dòng)方向和工件劃分。有的機(jī)床是刀具主軸實(shí)現(xiàn)Y軸運(yùn)動(dòng)，工件實(shí)現(xiàn)X、Z軸運(yùn)動(dòng)；有的機(jī)床X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)是靠刀具主軸通過(guò)立柱和滑板等實(shí)現(xiàn)；還有的是工件實(shí)現(xiàn)Y軸運(yùn)動(dòng)，而刀具主軸實(shí)現(xiàn)X、Z軸運(yùn)動(dòng)。

4 五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心的應(yīng)用

加工葉片的葉身型面時(shí)加工中的重中之重，葉身型面在一定程度內(nèi)可以彎曲，雖然不規(guī)則，卻有一定的規(guī)律可循，在五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心葉身型面的加工有一定的優(yōu)勢(shì)。螺旋加工方法使在刀具順著3個(gè)坐標(biāo)方向連續(xù)進(jìn)給時(shí)，加工的軌跡是一條環(huán)著葉身的螺旋線，通常用這種方法加工葉片。由于五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心的刀具主軸的角度可以在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，而且主軸有高速回轉(zhuǎn)的功能，在加工時(shí)型面的圓角刀可以完全垂直于曲面，這時(shí)再用適當(dāng)?shù)那皟A角方式走刀，最終加工出的型面不會(huì)有切合死角的存在，而其他的設(shè)備無(wú)法完全達(dá)到這種加工效果。雖然加工效果比較完美，但對(duì)編程算法的要求也相當(dāng)高，若是編程算法的程度不夠，就無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果，若有專業(yè)的CAM軟件編程算法，可這一解決問(wèn)題。本文所述的機(jī)床可以配備葉片編程專業(yè)軟件Hypermill，此款軟件使用各種層次的葉片用戶，能有效縮短編程時(shí)間，還能提供優(yōu)質(zhì)的參考模板。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平和科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，在制造業(yè)領(lǐng)域機(jī)床水平的高低能直接反映一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平，五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床系統(tǒng)更是機(jī)械制造業(yè)的高新技術(shù)發(fā)展標(biāo)志。機(jī)械制造業(yè)在現(xiàn)代社會(huì)中有著舉足輕重的地位，汽輪機(jī)和航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的需求也在逐漸擴(kuò)大，五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心的地位也越加重要。要實(shí)現(xiàn)葉片行業(yè)對(duì)葉片的大量需求，就要大力發(fā)展國(guó)內(nèi)的五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心，設(shè)計(jì)并制造出優(yōu)良品質(zhì)的五軸聯(lián)動(dòng)葉片銑削設(shè)備，在降低成本的同時(shí)能高效率生產(chǎn)加工出高質(zhì)量的葉片，為我國(guó)的機(jī)械制造業(yè)創(chuàng)造出更加廣闊的未來(lái)。

[1]劉士玉，徐樹(shù)洛.五軸聯(lián)動(dòng)龍門加工中心現(xiàn)狀與發(fā)展探討[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2008，（6）：84-87.

[2]劉靜.五軸聯(lián)動(dòng)加工中心應(yīng)用中難點(diǎn)問(wèn)題的分析及解決[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2007，（6）：111-112.

Development and Structural Characteristics of Five Axis Linkage Blade Machining Center

ZHAO Weiyi, ZENG Yanling
(Shaoguan technician college, Shaoguan 512023)

Five axis linkage blade machining center is a special blade machining turbine, aerospace engine and other special blades, has irreplaceable core position in machinery manufacturing industry. Nowadays, the shape and structure of blades are more complex. In order to ensure the accuracy and quality of blades, the blade processing must meet high standards and high precision. Therefore, only the analysis of the basic structure and characteristics of blade machining center can provide an effective reference for processing high quality blades.

five axis linkage blade, machining center, development status, structural features