淺談五軸加工中心技術(shù)設(shè)計和進(jìn)展研究

摘 要：加工中心是機(jī)械制造 行業(yè)中非常重要的儀器裝置，一個國家的加工中心所蘊(yùn)含的科技分量和先進(jìn)程度是評價一個國家裝備制造業(yè)的重要指標(biāo)。鑒于國內(nèi)擁有自主產(chǎn)權(quán)的加工中心在加工效率和加工精度上都和國外發(fā)達(dá)國家有一定差距，本次設(shè)計是以更深入的了解加工中心以及填補(bǔ) 國內(nèi)經(jīng)濟(jì) 型高性 能加工中心的空缺 為目的，研究分析國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計一臺經(jīng)濟(jì)型立式五軸聯(lián)動加工中心，在能夠滿足高速度切削的基礎(chǔ)上，控制X，Y，Z方向進(jìn)給的加工精度，并且在兩個旋轉(zhuǎn)軸（A，C）的高精度的配合聯(lián)動下，可以實現(xiàn)加工中心的高性能目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：五軸加工中心；高速切屑；經(jīng)濟(jì)型；結(jié)構(gòu)設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.032

1 引言

隨著綜合國力的提高，國內(nèi)第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展越來越好，汽車模具業(yè)，航空航天業(yè)等所需要的產(chǎn)品零部件形狀越來越復(fù)雜，所需要的加工精度要求也越來越高。所以對能完成這些零部件生產(chǎn)加工的五軸機(jī)床需求日益增長。國內(nèi)的機(jī)床還大部分都是以三軸加工中心的，而主要的大批量的五軸加工中心都是依靠進(jìn)口的來源。加工中心是機(jī)械制造 行業(yè)中非常重要的儀器裝置，一個國家的加工中心所蘊(yùn)含的科技分量和先進(jìn)程度是評價一個國家裝備制造業(yè)的重要指標(biāo)。鑒于國內(nèi)擁有自主產(chǎn)權(quán)的加工中心在加工效率和加工精度上都和國外發(fā)達(dá)國家有一定差距，所以研發(fā)五軸加工中心具有重要的現(xiàn)實意義。

2 技術(shù)現(xiàn)狀分析

市面上的一般三軸數(shù)控機(jī)床是指那種擁有X，Y，Z三個直線移動軸的加工機(jī)床。而五軸數(shù)控聯(lián)動加工機(jī)床其實也不是很難，是可以在三軸機(jī)床的基礎(chǔ)上衍生發(fā)展而來的。保留移動軸，再增加兩個數(shù)控的旋轉(zhuǎn)軸（X，Y，Z 方向的旋轉(zhuǎn)軸三選二） 。為工件旋轉(zhuǎn)和擺動，而且增加了自動換刀，大大降低了加工復(fù)雜表面的時間，工件設(shè)定夾緊時間，可很大程度上提高生產(chǎn)效率，以及提高工件表面的加工精度。 五軸聯(lián)動加工中心在加工零件時，由于旋轉(zhuǎn)和擺動部件的加工條件可變，自動換刀器需要頻繁更換刀具，因此旋轉(zhuǎn)和擺動部件，自動換刀更容易失效，成為五軸加工中心弱項，為了增加可靠性，有必要優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計一臺能夠滿足一般小型葉輪加工生產(chǎn)及學(xué)生實訓(xùn)要求的經(jīng)濟(jì)型五軸加工中心。對于五軸加工中心來說主要的設(shè)計部分分為以下幾個部分：五軸加工中心整體設(shè)計，考慮到動力學(xué)分析，五軸坐標(biāo)系的建立，CAD /CAM等軟件的設(shè)計和建模，刀具的合理選用設(shè)計，工藝路線的建立和完善。我的主要工作就是整體及Y軸相關(guān)零部件設(shè)計，而這些與以上幾點(diǎn)也是密不可分的，所以要全面考慮統(tǒng)籌設(shè)計。設(shè)計一臺能夠滿足一般小型葉輪生產(chǎn)及學(xué)生實訓(xùn)要求的經(jīng)濟(jì)型五軸加工中心。該加工中心的功能是能夠滿足加工小型葉輪、渦輪、復(fù)雜凸輪曲面、還有中、小型2D或3D復(fù)雜曲面的的設(shè)計加工、凸輪、模具、箱體、閥體類等直徑小于500mm之內(nèi)或者和其類似的復(fù)雜零件的要求。

3 實驗設(shè)計與研究

在本次的設(shè)計中，為了設(shè)計一款經(jīng)濟(jì)型立式五軸數(shù)控加工中心，我們參考價借鑒了大量文獻(xiàn)。從國內(nèi)外的加工中心發(fā)展?fàn)顩r以及水平差異，到加工中心的發(fā)展歷史。了解了加工中心從20世紀(jì)六十年代至今它50多年的發(fā)展歷程中，在工作效率、加工精度、加工工件的復(fù)雜程度以及可操作性上的種種改變，創(chuàng)新，變化和突破，歷經(jīng)各種困難和技術(shù)突破從而形成了現(xiàn)如今的先進(jìn)的具有高速切削速度、高精度、多工序、加工工件種類多樣化、先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)以及便捷方便的操作性的功能強(qiáng)大的加工中心。結(jié)合國內(nèi)的加工中心發(fā)展路歷程，并與國外進(jìn)行了對比之后，發(fā)現(xiàn)了國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r與國外的有著不小的差距。因此我們在指導(dǎo)老師的帶領(lǐng)下對國外的一些有名的加工中心所采用的設(shè)備進(jìn)行了相關(guān)研究和分析，在各個部件的選擇上既參考了國外優(yōu)良結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又結(jié)合了國內(nèi)的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀，從而合作設(shè)計這樣的一臺VMC-C30經(jīng)濟(jì)型立式數(shù)控五軸加工中心。加工中心的整體結(jié)構(gòu)布局采用動立柱式的布局，X、Y、Z三個直線進(jìn)給方向的進(jìn)給都由刀具移動來完成，這樣的設(shè)置進(jìn)給系統(tǒng)的承載不會隨著加工工件的不同而變化，而且由于機(jī)床前部只有工作臺和床身兩層結(jié)構(gòu)，也使得機(jī)床的剛性得到了加強(qiáng)。這對一些高精密加工中心的了解中，我發(fā)現(xiàn)都有一個可以高速切削的主軸。然而我們的命題是經(jīng)濟(jì)型，要考慮到經(jīng)濟(jì)的因素，所以我們放棄了高速電主軸而選用了性能相對差一點(diǎn)的滾珠絲杠加獨(dú)立電機(jī)的方式。

通過裝配好的軸和齒輪的布局，設(shè)計工作臺箱體。這樣設(shè)計比以前之間進(jìn)行二維圖的繪制要直觀，設(shè)計的結(jié)構(gòu)更加合理緊湊，調(diào)整起來也比較方便。最后再由總體裝配好的三維圖直接導(dǎo)出工程圖，并且加以修改，然后得出了最后的總體裝配圖、進(jìn)給系統(tǒng)裝配圖和工作臺裝配圖。 由具有直線運(yùn)動能力的滾珠導(dǎo)軌和高精 度高速伺 服電機(jī)驅(qū)動的全 動式立 柱進(jìn)給系統(tǒng)再配合上有精確傳動的擺 動臺和回轉(zhuǎn) 臺構(gòu)成的數(shù) 控工 作臺，再加上方便便捷的機(jī)械手換刀和刀盤，這樣就組成了這么一臺可以說得上是經(jīng)濟(jì)型的立式數(shù)控五軸加工中心了。

4 結(jié)論

本次設(shè)計仍然有一些缺陷和不足之處，另外，因為我們在三維軟件的使用上仍然處于初級階段，所以對一些制圖功能的使用上沒辦法實現(xiàn)真正的方便和準(zhǔn)確。再構(gòu)建模型的時候?qū)τ跈C(jī)床上一些細(xì)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計上也有一些缺陷，有的地方?jīng)]有完全考慮加工工藝性。但是在查閱和參考資料后，基本可以做到設(shè)計合理，使自己的能力得到提高。

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作者簡介：楊朝齊（1982-），男，河北唐山人，大專，助理工程師，研究方向：計算機(jī)輔助設(shè)計與制造技術(shù)在裝備制造領(lǐng)域的實踐應(yīng)用。endprint