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零件的五轴加工 |
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作者：Dirk Prust |
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1.引言
在五轴加工的发展方面，其应用主耍是因为生产量的变化。以前，主要集中于各轴的联动。这一技术多用于产量极小的模具生产。在飞机工业的机身零件、涡轮和叶片的制造中，五轴加工己应用多年。汽车工业中， 涡轮增压技术大大地提高了产量。这主要集中在减少加工循环时间方面。
实际上，五轴加工在大批量生产中的应用日益增多， 有些是零件的某些部位确实需要五轴联动加工，而有些零件的加工完全不需要五轴联动。这种应用的增多是因为零件越来越复杂和零件精度要求越来越高。这类零件是绝大多数五轴加工的代表(图1)。在这种情况下，具有一次装夹完成全部加工的优点，采用五轴加工的原因是可提高加工能力和生产效率。
图1 五轴加工的市场份额
多数实用五轴机床是由三个直线坐标轴和二个回转轴组成的。除此之外，已经证明刀具一侧有三个直线坐标轴加二个回转坐标轴的3+2轴零件定位(耳轴和行星式结构)是一种很好的解决方案。另一种创新变型设计是刀具一侧使用三个直线轴和一个回转轴，工件只用一个回转轴驱动( 倾斜式头架结构)。下文中将就这两种结构作进一步探讨。全部五轴运动均由刀具一侧完成，而工作不仅是飞机和大型模具等大型零件加工中常用的结构。这是因为零件尺寸和质量太大不可能采用其它结构。最近开发的并联运动机床也正在进入工业化应用。
2. 采用耳轴和行星式结构的五轴加工
耳轴和行星式结构的五轴加工机床通常是在标准三轴机床的基础上加上一个二轴回转工作台。这种结构的优点是零件固定在回转中心线上。依据不同尺寸，联动加工过程中回转轴改变其角度时，直线坐标补偿行程最短。在这种运行中及在每次加工循环终了时，进给全受到五个坐标轴中的任意一轴运行状态的限制。通常会由于补偿行程过大而受到直线轴的限制。由于其重量和偏移效应较大，无法有效地提高直线坐标的加速度。与之相反，由于采用直接驱动技术，回转坐标很容易实现高的动态性能。将此与短行程相结合则有助于缩短加工循环时间和提高加工精度。
补偿行程短通常与五轴定位无关，只有在高速加工时，要求直线坐标和回转坐标几乎同时到达目标位置才会有问题。由于五轴加工零件越来越复杂，需要更多种类的刀具，因而在加工循环过程中会产生大量的换刀时间。另一方面， 由于被加工零件的铸件非常接近实际形状及高性能切削技术的应用，切削时间在缩短。如图所示，在加工铝制汽车转向节时，采用创新的五轴加工概念，切屑至切屑时间只有1.9s，由于在加工左右侧2个零件时，所有刀具只要换一次，因此换刀时间减少了50%。采用了效率更高的上、下料技术。标准化的机器人单元配合整体原料与成品件存放装置，有效地减少了非生产时间。机器人除为两台机床上、下料外，还可以担负加清洁、打标、测量等作业。由于采用可以配备无接缝夹具的行星式工作台，不同加工应用之间的调整时间很短。采用高速直接驱动，可以使二个工作台进行镜像加工，这对对称零件的加工很有意义，例如加工汽车、货车或飞机左右两侧对称的零件等。
带有两个工作台的Chiron FZ 15K S五轴加工机床
3. 采用可倾式主轴结构的五轴加工
可倾主轴机床也是在标准三坐标机床的基础上发展而来的.只是将其中一个回转坐标整合到主轴头架上，使主轴可从垂直位置做+/-100度的倾斜摆动。图示为大力矩电机驱动的，具有很好动态性能的主轴头架，它可在任意角度位置定位。机床工作台配置了第二回转坐标，也是采用大力矩电机驱动，最高转速可达1000r/min。这种立式机床在加工重型零件方面具有很大优势，因为工件重量加上附件重量无法用耳轴式摆动坐标进行倾斜加工。倾斜摆动就由重量轻得多的主轴来完成。而上、下料则可在一个水平面上进行，操作简便。
配备垂直回转工作台的Chiron MILL铣车作业
工作台可在五轴加工过程中以1000r/min的速度回转。因而可以如同更换铣刀一样，从刀库上调用车刀。在车削作业过程中，主轴可使车刀始终保持一个固定倾角，而进给运动则由直线坐标完成，从而减少了零件精加工所需的机床数量和零件传输次数。
这种主轴可倾式机床还可以配备水平耳轴摆动坐标。对于加工航空工业用铝制零件来说，能承载重型零件和夹具的回转坐标是一种很好的解决方案，加工铝件时的金属去除率要比加工普通零件高80%。切除率是项重要指标。利用回转的耳轴工作台，切屑可直接落下并收入集成于机床床身的排屑装置中。
除此耳轴式坐标之外，在某些情况下，增加一种简单的回转坐标或车削主轴，因其具有高效特点，可能更为实用。这种结构适用于加工棒料或型材。在回转轴中配置一个内径为65 mm的空心轴，用于安放相当直在的棒料和型材。这样，除了能具有五轴回转功能外，还可以4500r/min的转速进行车削作业。当零件需要在其一端定心时，可将卡盘作为尾架，因棒料的长度无法采用直线NC控制作进给运动。当零件从棒料上切下时，也可利用卡盘使其保持夹持状态，然后利用另一个带垂直NC坐标的工作台使其转向。这样，便可以对零件的背面进行五轴加工，即一次装夹完成全部车铣加工。若配置成品件的下料功能，便可实现全自动加工。因此，这种极为简单的卡头和夹紧方法，就成为一种最为有效的棒抖加工柔性自动化解决方案。这就构成了直径32mm以下零件的五轴加工机床配置。例如各种仪器、仪表、钟表等小型高精度零件的生产。请注意，这类零件日益复杂，甚至五轴联动加工也无法满足要求。
为了减少包括空转测试零件加工程序或首件加工调试的调整时间，计算机模拟不失为一种有放工具。最新版本的模拟软件具有检测编程错误，机床、刀具、夹具和零件之间的冲突，优化刀具长度与行程等等功能。因此，五铀加工已经没有什么悬念并得到广泛应用。这类机床将成为未来各种机床变型结构的标准设备。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(4/7/2008) |
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