淺談五軸加工中心技術設計和進展研究

摘 要：加工中心是機械制造 行業中非常重要的儀器裝置，一個國家的加工中心所蘊含的科技分量和先進程度是評價一個國家裝備制造業的重要指標。鑒于國內擁有自主產權的加工中心在加工效率和加工精度上都和國外發達國家有一定差距，本次設計是以更深入的了解加工中心以及填補 國內經濟 型高性 能加工中心的空缺 為目的，研究分析國內外先進技術，設計一臺經濟型立式五軸聯動加工中心，在能夠滿足高速度切削的基礎上，控制X，Y，Z方向進給的加工精度，并且在兩個旋轉軸（A，C）的高精度的配合聯動下，可以實現加工中心的高性能目標。

關鍵詞：五軸加工中心；高速切屑；經濟型；結構設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.032

1 引言

隨著綜合國力的提高，國內第二產業發展越來越好，汽車模具業，航空航天業等所需要的產品零部件形狀越來越復雜，所需要的加工精度要求也越來越高。所以對能完成這些零部件生產加工的五軸機床需求日益增長。國內的機床還大部分都是以三軸加工中心的，而主要的大批量的五軸加工中心都是依靠進口的來源。加工中心是機械制造 行業中非常重要的儀器裝置，一個國家的加工中心所蘊含的科技分量和先進程度是評價一個國家裝備制造業的重要指標。鑒于國內擁有自主產權的加工中心在加工效率和加工精度上都和國外發達國家有一定差距，所以研發五軸加工中心具有重要的現實意義。

2 技術現狀分析

市面上的一般三軸數控機床是指那種擁有X，Y，Z三個直線移動軸的加工機床。而五軸數控聯動加工機床其實也不是很難，是可以在三軸機床的基礎上衍生發展而來的。保留移動軸，再增加兩個數控的旋轉軸（X，Y，Z 方向的旋轉軸三選二） 。為工件旋轉和擺動，而且增加了自動換刀，大大降低了加工復雜表面的時間，工件設定夾緊時間，可很大程度上提高生產效率，以及提高工件表面的加工精度。 五軸聯動加工中心在加工零件時，由于旋轉和擺動部件的加工條件可變，自動換刀器需要頻繁更換刀具，因此旋轉和擺動部件，自動換刀更容易失效，成為五軸加工中心弱項，為了增加可靠性，有必要優化設計。設計一臺能夠滿足一般小型葉輪加工生產及學生實訓要求的經濟型五軸加工中心。對于五軸加工中心來說主要的設計部分分為以下幾個部分：五軸加工中心整體設計，考慮到動力學分析，五軸坐標系的建立，CAD /CAM等軟件的設計和建模，刀具的合理選用設計，工藝路線的建立和完善。我的主要工作就是整體及Y軸相關零部件設計，而這些與以上幾點也是密不可分的，所以要全面考慮統籌設計。設計一臺能夠滿足一般小型葉輪生產及學生實訓要求的經濟型五軸加工中心。該加工中心的功能是能夠滿足加工小型葉輪、渦輪、復雜凸輪曲面、還有中、小型2D或3D復雜曲面的的設計加工、凸輪、模具、箱體、閥體類等直徑小于500mm之內或者和其類似的復雜零件的要求。

3 實驗設計與研究

在本次的設計中，為了設計一款經濟型立式五軸數控加工中心，我們參考價借鑒了大量文獻。從國內外的加工中心發展狀況以及水平差異，到加工中心的發展歷史。了解了加工中心從20世紀六十年代至今它50多年的發展歷程中，在工作效率、加工精度、加工工件的復雜程度以及可操作性上的種種改變，創新，變化和突破，歷經各種困難和技術突破從而形成了現如今的先進的具有高速切削速度、高精度、多工序、加工工件種類多樣化、先進數控系統以及便捷方便的操作性的功能強大的加工中心。結合國內的加工中心發展路歷程，并與國外進行了對比之后，發現了國內的發展狀況與國外的有著不小的差距。因此我們在指導老師的帶領下對國外的一些有名的加工中心所采用的設備進行了相關研究和分析，在各個部件的選擇上既參考了國外優良結構特點又結合了國內的經濟現狀，從而合作設計這樣的一臺VMC-C30經濟型立式數控五軸加工中心。加工中心的整體結構布局采用動立柱式的布局，X、Y、Z三個直線進給方向的進給都由刀具移動來完成，這樣的設置進給系統的承載不會隨著加工工件的不同而變化，而且由于機床前部只有工作臺和床身兩層結構，也使得機床的剛性得到了加強。這對一些高精密加工中心的了解中，我發現都有一個可以高速切削的主軸。然而我們的命題是經濟型，要考慮到經濟的因素，所以我們放棄了高速電主軸而選用了性能相對差一點的滾珠絲杠加獨立電機的方式。

通過裝配好的軸和齒輪的布局，設計工作臺箱體。這樣設計比以前之間進行二維圖的繪制要直觀，設計的結構更加合理緊湊，調整起來也比較方便。最后再由總體裝配好的三維圖直接導出工程圖，并且加以修改，然后得出了最后的總體裝配圖、進給系統裝配圖和工作臺裝配圖。 由具有直線運動能力的滾珠導軌和高精 度高速伺 服電機驅動的全 動式立 柱進給系統再配合上有精確傳動的擺 動臺和回轉 臺構成的數 控工 作臺，再加上方便便捷的機械手換刀和刀盤，這樣就組成了這么一臺可以說得上是經濟型的立式數控五軸加工中心了。

4 結論

本次設計仍然有一些缺陷和不足之處，另外，因為我們在三維軟件的使用上仍然處于初級階段，所以對一些制圖功能的使用上沒辦法實現真正的方便和準確。再構建模型的時候對于機床上一些細部結構的設計上也有一些缺陷，有的地方沒有完全考慮加工工藝性。但是在查閱和參考資料后，基本可以做到設計合理，使自己的能力得到提高。

參考文獻：

[1]羅生梅，喬田忠.JY-5數控銑床主軸動態特性分析[J].機械制造，2015，53（08）：15-17.

[2]李萬軍，趙東標，牛敏等.五軸加工全局干涉檢查及其避免[J]. 計算機集成制造系統，2011，17（05）：1011-1016.

[3]吳寶海，羅明，張瑩等.自由曲面五軸加工刀具軌跡規劃技術的研究進展[J].機械工程學報，2008，44（10）：9-18.

[4]張凱，劉春時，李焱等.一種臥式五軸加工中心的結構特點與技術性能[J].機械設計與制造，2011（12）：202-204.

作者簡介：楊朝齊（1982-），男，河北唐山人，大專，助理工程師，研究方向：計算機輔助設計與制造技術在裝備制造領域的實踐應用。endprint