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五轴加工中心的分类及与三轴、四轴的区别
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  立式加工中心(三轴)最有效的加工面仅为工件的顶面,卧式加工中心借助回转工作台,也只能完成工件的四面加工。目前高档的加工中心正朝着五轴控制的方向发展,工件一次装夹就可完成五面体的加工。如配置上五轴联动的高档数控系统,还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工。

  立式五轴加工中心

  这类加工中心的回转轴有两种方式,一种是工作台回转轴。设置在床身上的工作台可以环绕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。

  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,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。

  主轴回转的立式五轴加工中心

  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40~60m/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。

  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。

  另一种为传统的工作台回转轴,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。

  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。但是第二种五轴设置方式比较困难,因为1.25m2的工作台做A轴的回转,还要与工作台中间的B轴回转台联动确实勉为其难。卧式加工中心的主轴转速一般在 10,000rpm以上,由于卧式设置的主轴在径向有自重力,轴承高速空运转时径向受力不均等,加上还要采用较大的BT50刀柄,一般最高可达 20,000rpm。卧式加工中心快速进给达到30~60m/min以上,主轴电机功率22-40KW以上,刀库容量按需要可从40把增加到160把,加工能力远远超过一般立式加工中心,是重型机械加工的首选。

  加工中心大多可设计成双工作台交换,当一个工作台在加工区内运行,另一工作台则在加工区外更换工件,为下一个工件的加工做准备,工作台交换的时间视工作台大小,从几秒到几十秒即可完成。最新设计的加工中心考虑到结构上要适合组成模块式制造单元(FMC)和柔性生产线(FMS),模块式制造单元一般至少有两台加工中心和四个交换工作台组成,加工中心全部并排放置,交换工作台在机床前一字形排开,交换工作台多的可以排成两行、甚至双层设计。两边各有一个工位作为上下工件的位置,其余工位上的交换工作台安装着工件等待加工,有一辆小车会按照系统指令,把装着工件的交换工作台送进加工中心,或从加工中心上取出完成加工的交换工作台,送到下一个工位或直接送到下料工位,完成整个加工操作。柔性生产线除了小车、交换工作台之外,还有统一的刀具库,一般会有几百把刀具,在系统中存入刀具的身份编码信息,再通过刀具输送系统送进加工中心,并把用完的刀具取回,柔性生产线往往还需要一台FMS的控制器来指挥运行。

  过去五轴加工中心多为德国、美国、日本、意大利制造,令人欣喜的是今年3月在上海举行的“中国数控机床展览会”上,展出了多台国内生产的五轴加工中心。如济南二机床集团公司展出的龙门式五轴联动加工中心,工作台长6m,宽2m,采用立式主轴回转,A轴转角±100度,C轴转角±200度,这个庞然大物吸引了许多参观者,它标志着中国数控机床工业达到了先进水平。上海第三机床厂、第四机床厂制造的立卧加工中心,工作台630mm2,采用高速内冷电主轴,主轴可立、卧转换,工作台可以360度等分,类似于上述简单配置为立、卧转换的三轴加工中心,可对工件实现五面体加工,尽管还没有配置五轴,也非常实用。

  加工中心的发展与未来

  现在加工中心逐渐成为机械加工业中最主要的设备,它加工范围广,使用量大。近年来在品种、性能、功能方面有很大的发展。品种:有新型的立、卧五轴联动加工中心,可用于航空、航天零件加工;有专门用于模具加工的高性能加工中心,集成三维 CAD/CAM对模具复杂的曲面超精加工;有适用于汽车、摩托车大批量零件加工的高速加工中心,生产效率高且具备柔性化。性能:普遍采用了万转以上的电主轴,最高可达6~10万转;直线电机的应用使机床加速度达到了3-5g;执行ISO/VDI检测标准,促使制造商提高加工中心的双向定位精度。功能:糅合了激光加工的复合功能,结构上适合于组成模块式制造单元(FMC)和柔性生产线(FMS),并具有机电、通讯一体化功能。

  领先一步的机床制造商正在构想2010年的“加工中心”,它将是万能型的设备,可用于车、铣、磨、激光加工等,成为真正意义上的加工中心。全自动地从材料送进,到成品产出,粗精加工、淬硬处理、超精加工,自动检测、自动校正,将无所不能。设备将重视环保、节能,呈现出绿色制造业的标志。21世纪时代特征的IT功能是绝对不可少的,设备将通过网络与外界交换信息,获得最新的技术成果,人类的智慧将在高科技产品加工中心上得到充分的展现。

 

 

 

 

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