高速五軸聯動立式加工中心及其應用分析
2016-9-18 來源： 漢川數控機床股份公司 作者： 念 勇
摘要：本文以高速五軸聯動立式加工中心為例，介紹其加工案例，分析了五軸聯動機床應用的優點。
設計主管念勇
1. 高速五軸聯動立式加工中心
我公司該系列機床有HVMC500F5和HVMC630F5兩種規格， 旋轉工作臺分別為φ 500mm和φ 630mm，主軸最高轉速12 000r/m i n，快速移動速度45 000m m/m i n， 轉臺旋轉360°，擺動-110°/110°。其采用龍門框架結構，高剛性的天車式設計，如圖1所示。工作臺采用搖籃式兩軸轉臺，承載大、精度高；C軸采用力矩電動機驅動工作臺轉動，轉臺連續運轉，最小分度精度可達0.000 1°，控制精度可靠性高，輸出轉矩大；A軸采用雙齒輪消隙減速箱，保證定位精度和運動精度；對中空絲杠進行內部強制循環冷卻，保證精度穩定持久。刀庫采用固定式傘形刀庫，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大件、板件、盤類件、有空間曲面的中小型殼體、模具及箱體類等多品種零件的加工，葉片、葉輪、模具輪廓和渦輪葉片的復雜平滑曲面加工，是汽車、模具及航空航天等行業精密復雜零件加工的重要設備。
該系列機床采用床身、工作臺固定，橫梁移動式結構，刀具有X、Y、Z運動，為動柱式立式數控機床，考慮到高速運動的特殊性，在保證機床足夠剛度的情況下，盡量減少運動的慣量，使得機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量。機床橫梁采用兩條直線滾動導軌，具有極高的承載能力和卓越的高速性能，壽命長、噪聲低；長期無需維修保養，有極佳的穩定性；全閉環控制，定位準確， 動態性能優異。導軌絲杠具有可靠的防塵、防水和防切屑的裝置。刀庫放置于床身兩導軌之間，減少了占地面積，結構緊湊。排屑器放在工作臺的下面，保證切屑快速導入排走，熱量不會傳至床身，提高機床的加工精度。采用全封閉的防護裝置， 確保加工過程中安全、整潔。
圖1 HVMC500F5高速五軸聯動立式加工中心
2. 加工驗證
為了驗證高速五軸聯動立式加工中心的加工精度和性能，在完成機床靜態精度調整的基礎上，通過加工S試件（見圖2），檢驗機床的加工精度是否達標。基于S試件測量結果和機床五軸聯動（RTCP）精度檢測，搜尋并分析存在問題的驅動軸，通過編制特定程序并測量機床運動軌跡，在對軌跡進行頻域分析、圓度分析的基礎上，完成機床機械結構和動態性能參數的調整，進而提升機床的動態精度。
圖2 S試件加工
用此系列五軸聯動機床加工的實例很多，除了用于檢驗機床性能的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（見圖3）為例，從工藝的角度分析該五軸聯動機床加工的優點。
（1）工藝分析。大力神杯模型頂部較大并逐步向底部縮小，結構呈倒扣形，外部刻有兩個形象的大力士托起地球等圖案，各曲面之間過渡光潔平滑、圖案生動有神，尺寸精度和表面質量要求較高。此模型多為回旋倒扣曲面，曲面比較陡，結構復雜，構成的圖素相當精細，特別是地球和人臉部分十分細小逼真。
針對模型的外形特點， 毛坯選擇圓柱棒料，由于普通立式三軸聯動數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， 這兩種機床都是四軸機床，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量要求較高，則對于地球和人臉部分細小的紋路，四軸機床在加工中會存在以下兩個問題：①加工地球和人臉部分細小的紋路時，需要用R0.75mm球頭銑刀，為了達到很好的表面粗糙度值，必須有很高的線速度，這就要求機床轉速達到10 000r/min以上，而一般的立式加工中心最高轉速8 000r/min，臥式加工中心的最高轉速6 000r/min，顯然不符合要求。如果為了得到較高的轉速給這兩類機床安裝電主軸，機床需進行改型設計，會增加額外的成本。②使用球頭銑刀加工曲面，當刀具中心線垂直于加工面時，由于球頭銑刀的頂點線速度為零，頂點切出的工件表面質量會很差。
圖3 大力神杯模型
為了滿足加工要求， 選用HVMC500F5高速五軸聯動立式加工中心。如圖4所示，使工件相對主軸轉過一個角度，進而使球頭銑刀避開頂點切削， 保證有足夠的線速度，這樣就可以很好地保證表面加工質量。同時，五軸聯動數控機床加工避免多次裝夾，使零件裝夾變得容易，無需特殊夾具，減少了夾具的使用數量，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。把已經車削好的毛坯，采用三爪自定心卡盤裝夾，并使用千分表對零件的同軸度和水平度進行調整，用分中棒找正工件圓心和毛坯頂部為三軸的原點，通過螺釘和壓板安裝在機床的轉臺上。
（3）工藝路線。通過上述分析，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， 五軸聯動機床的高速精加工，尤其是對于地球和人臉部分細小的紋路，一次加工成形。
3. 結語
在完善高速五軸聯動立式加工中心系列的同時，為滿足航空航天、模具加工等領域高速、高精度、中切深、快進給加工的需求， 我公司在定梁式、動梁式、定梁動柱式和動梁動柱式龍門加工中心系列機床的基礎上，創新研發設計了五軸聯動橋式龍門加工中心，并推出了五軸聯動銑頭，提高了五軸聯動機床的競爭力，而且逐步完成了機床和機床功能部件的模塊化、系列化設計，不斷開發性能優良的高新產品，以適應機床制造業日趨激烈的競爭。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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