高速五軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心及其應(yīng)用分析
2016-9-18 來(lái)源： 漢川數(shù)控機(jī)床股份公司 作者： 念 勇
摘要：本文以高速五軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心為例，介紹其加工案例，分析了五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。
設(shè)計(jì)主管念勇
1. 高速五軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心
我公司該系列機(jī)床有HVMC500F5和HVMC630F5兩種規(guī)格， 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)分別為φ 500mm和φ 630mm，主軸最高轉(zhuǎn)速12 000r/m i n，快速移動(dòng)速度45 000m m/m i n， 轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)360°，擺動(dòng)-110°/110°。其采用龍門(mén)框架結(jié)構(gòu)，高剛性的天車(chē)式設(shè)計(jì)，如圖1所示。工作臺(tái)采用搖籃式兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)，承載大、精度高；C軸采用力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，最小分度精度可達(dá)0.000 1°，控制精度可靠性高，輸出轉(zhuǎn)矩大；A軸采用雙齒輪消隙減速箱，保證定位精度和運(yùn)動(dòng)精度；對(duì)中空絲杠進(jìn)行內(nèi)部強(qiáng)制循環(huán)冷卻，保證精度穩(wěn)定持久。刀庫(kù)采用固定式傘形刀庫(kù)，主軸抓刀，提高換刀的可靠性，換刀快速。該系列高速五軸加工中心主要用于中、小等尺寸，中、小等重量的各種基礎(chǔ)大件、板件、盤(pán)類(lèi)件、有空間曲面的中小型殼體、模具及箱體類(lèi)等多品種零件的加工，葉片、葉輪、模具輪廓和渦輪葉片的復(fù)雜平滑曲面加工，是汽車(chē)、模具及航空航天等行業(yè)精密復(fù)雜零件加工的重要設(shè)備。
該系列機(jī)床采用床身、工作臺(tái)固定，橫梁移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，刀具有X、Y、Z運(yùn)動(dòng)，為動(dòng)柱式立式數(shù)控機(jī)床，考慮到高速運(yùn)動(dòng)的特殊性，在保證機(jī)床足夠剛度的情況下，盡量減少運(yùn)動(dòng)的慣量，使得機(jī)床高速加工中的跟蹤誤差趨于最小，最終提高高速加工的精度和質(zhì)量。機(jī)床橫梁采用兩條直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，具有極高的承載能力和卓越的高速性能，壽命長(zhǎng)、噪聲低；長(zhǎng)期無(wú)需維修保養(yǎng)，有極佳的穩(wěn)定性；全閉環(huán)控制，定位準(zhǔn)確， 動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異。導(dǎo)軌絲杠具有可靠的防塵、防水和防切屑的裝置。刀庫(kù)放置于床身兩導(dǎo)軌之間，減少了占地面積，結(jié)構(gòu)緊湊。排屑器放在工作臺(tái)的下面，保證切屑快速導(dǎo)入排走，熱量不會(huì)傳至床身，提高機(jī)床的加工精度。采用全封閉的防護(hù)裝置， 確保加工過(guò)程中安全、整潔。
圖1 HVMC500F5高速五軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心
2. 加工驗(yàn)證
為了驗(yàn)證高速五軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心的加工精度和性能，在完成機(jī)床靜態(tài)精度調(diào)整的基礎(chǔ)上，通過(guò)加工S試件（見(jiàn)圖2），檢驗(yàn)機(jī)床的加工精度是否達(dá)標(biāo)。基于S試件測(cè)量結(jié)果和機(jī)床五軸聯(lián)動(dòng)（RTCP）精度檢測(cè)，搜尋并分析存在問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)軸，通過(guò)編制特定程序并測(cè)量機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡，在對(duì)軌跡進(jìn)行頻域分析、圓度分析的基礎(chǔ)上，完成機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的調(diào)整，進(jìn)而提升機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度。
圖2 S試件加工
用此系列五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工的實(shí)例很多，除了用于檢驗(yàn)機(jī)床性能的S試件，還有人體模型、葉片、葉輪及大力神杯模型等，下面以大力神杯模型（見(jiàn)圖3）為例，從工藝的角度分析該五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工的優(yōu)點(diǎn)。
（1）工藝分析。大力神杯模型頂部較大并逐步向底部縮小，結(jié)構(gòu)呈倒扣形，外部刻有兩個(gè)形象的大力士托起地球等圖案，各曲面之間過(guò)渡光潔平滑、圖案生動(dòng)有神，尺寸精度和表面質(zhì)量要求較高。此模型多為回旋倒扣曲面，曲面比較陡，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)成的圖素相當(dāng)精細(xì)，特別是地球和人臉部分十分細(xì)小逼真。
針對(duì)模型的外形特點(diǎn)， 毛坯選擇圓柱棒料，由于普通立式三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床不能完成所有特征加工，所以需要三軸以上加工中心才能滿足加工條件。如果表面粗糙度值要求不高，可以選擇帶第四軸的立式加工中心或者臥式加工中心加工， 這兩種機(jī)床都是四軸機(jī)床，可以加工該模型大部分的曲面，但是由于該零件的尺寸精度和表面質(zhì)量要求較高，則對(duì)于地球和人臉部分細(xì)小的紋路，四軸機(jī)床在加工中會(huì)存在以下兩個(gè)問(wèn)題：①加工地球和人臉部分細(xì)小的紋路時(shí)，需要用R0.75mm球頭銑刀，為了達(dá)到很好的表面粗糙度值，必須有很高的線速度，這就要求機(jī)床轉(zhuǎn)速達(dá)到10 000r/min以上，而一般的立式加工中心最高轉(zhuǎn)速8 000r/min，臥式加工中心的最高轉(zhuǎn)速6 000r/min，顯然不符合要求。如果為了得到較高的轉(zhuǎn)速給這兩類(lèi)機(jī)床安裝電主軸，機(jī)床需進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，會(huì)增加額外的成本。②使用球頭銑刀加工曲面，當(dāng)?shù)毒咧行木€垂直于加工面時(shí)，由于球頭銑刀的頂點(diǎn)線速度為零，頂點(diǎn)切出的工件表面質(zhì)量會(huì)很差。
圖3 大力神杯模型
為了滿足加工要求， 選用HVMC500F5高速五軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心。如圖4所示，使工件相對(duì)主軸轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，進(jìn)而使球頭銑刀避開(kāi)頂點(diǎn)切削， 保證有足夠的線速度，這樣就可以很好地保證表面加工質(zhì)量。同時(shí)，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工避免多次裝夾，使零件裝夾變得容易，無(wú)需特殊夾具，減少了夾具的使用數(shù)量，降低了夾具使用成本，提高了加工精度，還可以省去許多特殊刀具，降低了刀具的使用成本。
圖4 大力神杯模型的五軸加工
（2）裝夾找正。把已經(jīng)車(chē)削好的毛坯，采用三爪自定心卡盤(pán)裝夾，并使用千分表對(duì)零件的同軸度和水平度進(jìn)行調(diào)整，用分中棒找正工件圓心和毛坯頂部為三軸的原點(diǎn)，通過(guò)螺釘和壓板安裝在機(jī)床的轉(zhuǎn)臺(tái)上。
（3）工藝路線。通過(guò)上述分析，綜合考慮加工成本和加工效率， 制定出加工工藝路線如下：①粗加工，毛坯選用圓柱棒料，用車(chē)床切削去除盡可能多的余料，使其底部平整。②半精加工，采用四軸立式加工中心進(jìn)行工件的半精加工，完成大部分的曲面加工，留精加工加工余量。③ 精加工， 五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的高速精加工，尤其是對(duì)于地球和人臉部分細(xì)小的紋路，一次加工成形。
3. 結(jié)語(yǔ)
在完善高速五軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心系列的同時(shí)，為滿足航空航天、模具加工等領(lǐng)域高速、高精度、中切深、快進(jìn)給加工的需求， 我公司在定梁式、動(dòng)梁式、定梁動(dòng)柱式和動(dòng)梁動(dòng)柱式龍門(mén)加工中心系列機(jī)床的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新研發(fā)設(shè)計(jì)了五軸聯(lián)動(dòng)橋式龍門(mén)加工中心，并推出了五軸聯(lián)動(dòng)銑頭，提高了五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的競(jìng)爭(zhēng)力，而且逐步完成了機(jī)床和機(jī)床功能部件的模塊化、系列化設(shè)計(jì)，不斷開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良的高新產(chǎn)品，以適應(yīng)機(jī)床制造業(yè)日趨激烈的競(jìng)爭(zhēng)。
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