五轴加工机床的应用与发展.docVIP

五轴加工机床的应用与发展作者：谭汝谋提高加工质量和工效，充分满足产品生产的要求是制造技术发展永恒的主题。迄今为止，所有制造技术的研发、改进和创新，无一不是直接或间接地在此主题的驱动下进行的，五轴加工机床的产生、应用和发展也不例外。它既是为了加工某些具有特殊要求的复杂形面的大型工件而出现的，也是为了提高对这些形面的加工精度、质量和工效才得到应用和发展的。 图1 用3轴机床加工 图2 用5轴机床加工 五轴加工的优点 所谓五轴加工这里是指在一台机床上至少有五个坐标轴(三个直线坐标和两个旋转坐标)，而且可在计算机数控(CNC)系统的控制下同时协调运动进行加工。这样的五轴联动数控加工与一般的三轴联动数控加工相比，主要有以下优点： 可以加工一般三轴数控机床所不能加工或很难一次装夹完成加工的连续、平滑的自由曲面。如航空发动机和汽轮机的叶片，舰艇用的螺旋推进器，以及许许多多具有特殊曲面和复杂型腔、孔位的壳体和模具等，如用普通三轴数控机床加工，由于其刀具相对于工件的位姿角在加工过程中不能变，加工某些复杂自由曲面时，就有可能产生干涉或欠加工(即加工不到)。而用五轴联动的机床加工时，则由于刀具/工件的位姿角在加工过程中随时可调整，就可以避免刀具工件的干涉并能一次装夹完成全部加工； 可以提高空间自由曲面的加工精度、质量和效率。例如，三轴机床加工复杂曲面时，多采用球头铣刀，球头铣刀是以点接触成形，切削效率低，而且刀具/工件位姿角在加工过程中不能调，一般就很难保证用球头铣刀上的最佳切削点(即球头上线速度最高点)进行切削，而且有可能出现切削点落在球头刀上线速度等于零的旋转中心线上的情况，如图1中所示的刀位a处。这时不仅切削效率极低，加工表面质量严重恶化，而且往往需要采用手动修补，因此也就可能丧失精度。如采用五轴机床加工，由于刀具/工件位姿角随时可调，则不仅可以避免这种情况的发生，而且还可以时时充分利用刀具的最佳切削点来进行切削，或用线接触成形的螺旋立铣刀来代替点接触成形的球头铣刀，甚至还可以通过进一步优化刀具/工件的位姿角来进行铣削，从而获得更高的切削速度、切削线宽，即获得更高的切削效率和更好的加工表面质量，图3所示便是以不变位姿角和以优化位姿角铣削相同自由曲面的效果比较的一例。从图中不难看出采用不变位姿角(Sturz法)铣削叶片的表面粗糙度要比采用优化位姿角(P铣削法—Starrag公司的专利)铣削叶片的表面粗糙度低一级，而所用的时间，前者还比後者多30%～130%； 表面质量等级 平均Ra值 N8 1.6-3.2μm N7 0.8-1.6μm N6 0.4-0.8μm N5 0.2-0.4μm 图3 以固定位姿角和优化位姿角进行铣削的效果比较 符合于工件一次装夹便可完成全部或大部分加工的机床发展方向。因为随着科技的发展和人们物质生活水平的提高，人们对产品的性能、质量要求也更高，形式更多样化和个性化。为了进一步提高产品的性能和质量，充分满足使用者的多方要求，如节能、省材、轻便、美观、舒适等，现代产品，不仅是航空、航天产品和运载工具(如汽车、船、舰等)，而且也包括精密仪器、仪表，医疗、运动器械，以及家用、办公用的电器和儿童玩具等产品的零件，都愈来愈多地采用由整体材料镂铣而成，而且其上还包含有许多各种各样的复杂曲面和斜孔、斜面等。这些零件，如用传统机床或三轴数控机床来加工，必须用多台机床，经过多次定位安装才能完成。这样不仅设备投资大，占用生产面积多，生产加工周期长，而且精度、质量还难于保证。为了解决这些问题，就要发展能集中工序进行高精、高效和复合加工的机床，以期能实现工件一次装夹便可完成全部或大部分加工。这已成为当今机床发展的大趋势，而配备上高速加工能力的五轴机床，完全符合这一发展要求的趋势，而且还可能是最佳的方案选择。因为它不仅具有现代生产加工设备所要求具有的主要功能，而且一台五轴机床的工效约相当于两台三轴加工机床，甚至可以省去更多机床。 五轴机床的结构特点 五轴加工机床与一般机床的最大区别在于它除了具有通常机床的三个直线坐标轴外，还有至少2个旋转坐标轴，而且可以五轴联动加工。 而五轴加工机床之间的区别，除了有立式、卧式之分外，则主要还在于他们实现五轴运动的结构型式和五个运动的分配(配置)上。一般而言，五轴机床有三种结构型式和三种运动配置方式，这两者的组合，就可以得到有9种可能的五轴机床的结构类型。为便于叙述，我们分别用Aij来代表各种不同的结构类型，如表1所示。 j运动配置方式 i结构形式 1传统(串连)结构 2并联结构 3串、并(混)联结构 1五个运动全在刀具侧 A11 A21 A31 2五个运动全在工件侧 A12 A22 A32 3五个运