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五轴加工机床的应用与发展
作者:谭汝谋
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车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ...
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
五个运动分配在刀具和工件侧
A13 A23 A33


A11型,如表1中定义,是传统的串联结构的机床,五个坐标运动(X、Y、Z、A、C)全部集中在刀具一侧来完成,其代表性产品有如日本丰和机公司的Millac 853 PE-5X工作台固定式五轴立式加工中心和济南二机床集团公司开发生产的龙门移动式大型五轴联动数控铣床。他们的特点都是工件/工作台不动,五个运动都由具有旋转和摆动功能的主轴头(即刀具一侧)来完成。这种结构的机床,优点是适合于加工具有复杂形面的大型、重型壳体件,如飞机龙骨、翼梁、大型发动机壳体等。缺点是运动部件质量大,惯性力大,不适宜于用过高的进给速度和加速度加工。不过运动部件的质量虽大,但较恒定,因为刀具重量相对较小,改变刀具时,对运动部件重量变化影响不大,故机床的运动特性还是比较稳定的。另一缺点是带A、C轴功能的主轴头部件设计和制造要求高,难度大。特别是采用蜗轮/蜗杆和齿轮传结构时,主轴头体积较大。


图4 济南二机床的龙门移动式五轴数控铣床(A11型)

A12型是传统串联结构的机床,但五个坐标运动均集中在工件一侧来完成。一种简单易行的实施方案是在一台三轴数控的升降台立式铣床上再装上一个数控回转工作台,工件装在回转工作台上完成四轴运动(尚不是五轴加工),主轴头则可以固定不动。


图5 瑞士Willemin-Macodel公司的五轴加工中心W-418(A13型)

A13型也是传统串联结构的机床,但五个坐标运动分别配置在刀具一侧和工件一侧来完成。这种结构型式的机床产品很多,应用也最广,最普遍。在这A13型中,又可按二个转动坐标轴的配置方式进一步分为三种结构型式的机床。第一种除工件一侧至少有一个移动坐标轴外,二个转动坐标轴均由刀具一侧的复合主轴头来实现,这主要为大、重型机床所采用,比如工作台移动式五轴联动的龙门铣床或加工中心。第二种是二个转动坐标轴分别由主轴头摆动和工作台回转来实现,此种型式工作台能承受较大重量且可以采用标准交换工作台,而主轴头结构又比第一种简单,现多为中型五轴加工机床所采用(图5)。第三种二个回转坐标轴都在工作台一侧,大多是在原三轴控制机床基础上配备数控摆动、回转工作台发展而成,系中、小型五轴加工机床采用较多的一种结构型式,其缺点是工作台成为刚度相对薄弱的环节,特别是在需要工作台有较高的转动进给速度和加速度时,所承受的工作重量受到一定限制。图6所示为瑞士Mikron公司在三轴控制高速铣削加工中心HSM 400的基础上改变工作台类型发展起来的五轴联动加工机床HSM 400U。


图6 五轴联动高速铣削加工中心HSM400U(A13型)

A21型的典型结构是以Stewart平台结构原理为基础的并联机床。一般刀具主轴安装在Stewart结构的活动平台上,并通过6根可控的伸缩杆来控制刀具的空间位姿并完成五轴运动,工件则安装在固定的底座平台上不动。A21型的代表性产品如美国G & L公司的VARIAX新概念机床、俄罗斯的KUM-750精密加工中心、日本大隈公司带APC和ATC的PM-600五轴加工中心。


图7 日本大隈的Stewart平台并联式机床PM-600(A21型)

并联结构机床与传统(串联结构)机床比较,其主要的优点是:

运动部件质量轻,运动惯性小,更有利于实现高速度和高加速度的加工;

主轴部件具有重复性,通用性高,适于专业化生产;

比刚度高,且容易通过预加载荷来提高机床的综合刚度;

理论精度较高,一般加工误差不会大于6根伸缩杆运动误差的平均值,不像串联结构的机床那样,各轴运动误差有可能被累积和放大。

但并联结构机床也存在一些固有的缺点:

有效空间比(即有效加工空间对设备占用空间之比)比较小,而且可加工空间呈非规则形,并随杆长和位姿角变化;

因受球铰和虎克铰链转角的制约,Stewart平台所能倾斜的角度(即刀具的位姿角)较小,一般只有±40°左右(常用为±30°以下),从而影响了可加工的範围;

运动和编程较复杂,而且简单的直线运动也要6根杆联合运动来实现;

存在非线性误差和奇异性问题,当加工在极限位置上进行时,由于微小的振动误差就有可能导致奇异性出现,即导致旋转轴的180°翻转,这种情况非常危险。

A21型结构机床不仅可用于实现中小型复杂零件的加工,如换上不同的相应工具後,也可作测量机、切割机、焊接机等工艺设备用。

A22型的基本结构与A21同,只是Stewart平台被倒置,其动平台作为机床工作台,工件装在其上完成五个坐标运动,而刀具主轴头则被固定在铣床的立柱上不动,图8所示的美国Hexel公司生产的P2000型铣床就是A22型结构机床的代表性产品。这种结构配置的机床主要适用于小型模具的五轴加工,如零件重量变化大,即运动部件质量变化大,会造成机床运动特性的不稳定。除此之外,A22型结构的其它优缺点与A21型一样。


图8 美国Hexel公司的P2000型5轴加工铣床(A22型)

从理论上讲,采用典型Stewart平台结构的机床,不应有A23型的五轴加工机床的出现,但实际中由于Stewart平台所能提供的刀具/工件位姿角太小,满足不了某些具体加工的需要,为了弥补这一缺陷,有的使用者采取了Stewart平台+回转工作台的结构方案。哈工大早年(1999年)研制成功的HBJ并联机床,就采用一个分度转台作辅助来加工叶轮。一般来说增加的分度转台不算是机床的组成部分,只是一个附件,是在特殊情况下为了解决具体问题才采取的应急措施。

A31型混联机床的三个移动坐标轴由并联机构实现,两个转动坐标轴则由其动平台下串连的主轴头来完成,五个坐标轴均在刀具一侧,大连机床集团与清华大学合作开发了此种混联机床DCB510。此外,天津大学和天津第一机床厂联合开发的Linapod机床便可归入A33型,它的三个移动坐标轴仍由刀具一侧的并联机构实现,转动坐标轴现使用数控回转工作台,若改用数控摆动、回转工作台,则可进行五轴联动加工。这两台机床均用滑鞍和定长杆(每副定长杆由二杆或三杆构成以增强刚性)代替可伸缩杆,而且定长杆一端的铰支固定在滑鞍上,滑鞍则由滚珠丝杆驱动,从而便于机床厂用现成工艺制造和装配。与纯并联机床相比,混联机床扩大了工具/工件的位姿角,同时便于编程和对切削点的位置及速度进行运动学标定,最终有利于提高机床的精度及刚度。


图9 DCB510混联机床(A31型)

A32型机床目前只作为一种逻辑分类存在,实际上尚未发现有这样的产品例子出现。


图10 Linapod混联机床(A33型)

五轴加工的难点

五轴加工的方法和机床,早在20世纪60年代,国外航空工业为了加工一些具有连续平滑而复杂的自由曲面大件时,就已开始采用了,但一直没能在更多的行业中获得广泛应用,只是近10年来才有了较快的发展。究其原因,主要是五轴加工存在着很多难点,譬如:

编程复杂、难度大。因为五轴加工不同于三轴,它除了三个直线运动外,还有两个旋转运动参与,其所形成的合成运动的空间轨迹非常复杂和抽象,一般难以想象和理解。如为了加工出所需的空间自由曲面,往往需通过多次坐标变换和复杂的空间几何运算,同时还要考虑各轴运动的协调性,避免干涉、冲撞,以及插补运动要适时适量等,以保证所要求的加工精度和表面质量,编程难度就更大了;

对数控及伺服控制系统要求高。由于五轴加工需要有五轴同时协调运动,这就要求数控系统首先必须具有至少五轴联动控制的功能;另外由于合成运动中有旋转运动的加入,这不仅增加了插补运算的工作量,而且由于旋转运动的微小误差有可能被放大从而大大影响加工的精度,因此要求数控系统要有较高的运算速度(即更短的单个程序段的处理时间)和精度。所有这些都意味着数控系统必须增加RISC芯片的处理器来进行处理(即采用多个高位数的CPU结构)。另外如前所说,五轴加工机床的机械配置有刀具旋转方式,工件旋转方式和两者的混合式,数控系统也必须能满足不同配置的要求。最後,为了能实现高速、高精的五轴加工,数控系统还要具有前瞻(Look Ahead)功能和较大的缓冲存储能力,以便在程序执行之前对运动数据进行提前运算、处理并进行多段缓冲存储,从而保证刀具高速运行时误差仍然较小。所有这些要求,无疑都将增加数控系统结构的复杂性和开发的难度;

五轴机床的机械结构设计和制造也比三轴机床更复杂和困难。因为机床要增加两个旋转轴坐标,就必须采用能倾斜和转动的工作台或能转动和摆动的主轴头部件。对增加的这两个部件,既要求其结构紧凑,又要具有足够大的力矩和运动的灵敏性及精度,这显然就比设计和制造普通三轴加工机床难多了;

作为上述三项因素综合影响的结果,五轴加工机床的价格比较昂贵。例如,早年一台五轴机床的价格约为一台相同规格的三轴机床的2~3倍,现在差距虽然缩小了,但还是比三轴机床高出50%左右,因而在某种程度上也影响了企业对五轴机床的投资。

五轴机床正在迅速发展

近年来,由于科技的进步,特别是微电子技术的快速发展,使得五轴数控系统的性能/价格比大为提高(即相对便宜了);大力矩电机的成功开发并应用于摆动、回转工作台和主轴头部件,代替了这些部件原来采用的齿轮,蜗轮/蜗杆传动,从而使得这些部件的结构紧凑、性能质量提高,五轴机床的设计、制造也更方便容易了,价格也有较大下降,可能还有其它种种因素的影响,所以现在有许多迹象表明,五轴加工机床正在快速发展。例如:

从在中国举办的中国国际机床展(CIMT)来看,CIMT9吋,中国第一次展出一台国产五轴联动加工机床,在CIMT 2001就展出12台(其中国产的4台,占1/3),CIMT 2003则展出了多达36台(其中国产的18台,占1/2)五轴加工机床。相隔2年展出的五轴机床,增加了2倍多,其中国产的则增加了3.5倍,而且结构形式多种多样;

从在美国举办的国际机床展(IMTS)来看,如果说,IMTS 2000给人的印象只是“五轴加工机床展出明显增加了”的话,那么IMTS 2002给人的感觉则是“几乎所有展出的加工中心和数控铣床都可以实现五轴联动和五面加工”了。欧洲EMO 2003机床展更是令人感到“五轴加工机床普及化,生产实用化”了,可见五轴加工机床发展之快,变化之大;

从销售市场看,据日本机床工业协会统计,1992年日本数控系统出厂的台数为35,895台,其中装在4~5轴以上复合加工机床的为8,117台,占全部的22.6%,而2001年数控系统出厂的台数为42,899台,其中用在4~5轴以上加工机床的就有13,143台,占总数的30.1%。另外,有报道说,在日本生产销售五轴加工机床及其相关设备的企业共有22家。

虽然上述信息都不十分具体明确,也不很全面,可能缺乏足够的说服力。但它们毕竟是与五轴加工机床的发展有关系。因此我们至少从中捕捉到了这样一点信息,即五轴加工机床正在迅速发展!这是值得我们认真关注的动向! (end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (9/25/2005)
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佳工网友 奕君 (Email) 于11/3/2005 3:49:00 PM评论说:
对于模具的知识我是从网上看来的,这些资料也对我有很大的用处的?


对 加工中心/FMS 有何见解?请到 加工中心/FMS论坛 畅所欲言吧!


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