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        基于立式加工中心的五軸加工曲面特性分析

        2014-05-15 08:10:28齊孟雷
        機械工程與自動化 2014年3期
        關(guān)鍵詞:旋轉(zhuǎn)軸型式工作臺

        齊孟雷

        (遼寧機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧 丹東 118009)

        1 立式五軸數(shù)控加工中心的型式[1]

        五軸加工因為多了兩個旋轉(zhuǎn)軸,因而具備了一些三軸加工所沒有的優(yōu)點,如生產(chǎn)率較高和較短的設(shè)定時間,而且極適合用于復(fù)雜幾何曲面的加工,如渦輪葉片、葉輪和其他高附加值的產(chǎn)品。

        數(shù)控加工中心機構(gòu)上的運動坐標系通常以右手直角笛卡爾坐標系定義:X,Y,Z三個線性移動軸和分別繞著X,Y,Z軸旋轉(zhuǎn)的A,B,C軸,線性軸依手指所指方向為正方向,旋轉(zhuǎn)軸依手指指向的順時針為正方向,如圖1所示。所以五軸數(shù)控加工中心泛指包含3個直線軸及2個旋轉(zhuǎn)軸,可同時進五軸同步運動加工的機器。因為5軸數(shù)控加工中心具備5個自由度,若按旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向不同來規(guī)劃刀具的切削移動方向則可以配置出許多型式,見表1。從中歸納出的3種最基本的五軸立式加工中心的布局如圖2所示。

        圖1 右手坐標系定義示意圖

        因為五軸立式加工中心的旋轉(zhuǎn)軸配置方式不同,故加工特性也不同,應(yīng)根據(jù)加工工件來選擇適當?shù)募庸ぶ行?,以避免加工困難和精度不夠。不同構(gòu)型五軸立式加工中心的加工特性如下:

        (1)型式a:工作臺傾斜型,即兩旋轉(zhuǎn)軸在工作臺。①主軸可在X,Y,Z三軸上作移動,平臺在A,C軸上可旋轉(zhuǎn);②此型式為在一般三軸機器的平臺上加裝傾斜與旋轉(zhuǎn)伺服機構(gòu),降低夾具成本,是最經(jīng)濟的方式,也是應(yīng)用較普遍的機型;③主軸負載較小、剛性高,可承受重切削;④沿C軸動作,在環(huán)形和輪廓外形上有較好的復(fù)雜曲面加工能力;⑤適用于中小型工件加工,因為大型工件需要較大扭矩的旋轉(zhuǎn)移動平臺;⑥實際加工時,只需沿著Z軸就能輕松進退刀,加工傾斜面及孔時,可用三軸加工進行程序設(shè)計,并可用刀具補償功能。

        (2)型式b:主軸傾斜型,即兩旋轉(zhuǎn)軸在刀具軸。①由主軸頭在旋轉(zhuǎn)分度以及傾斜分度的動作來完成切削加工;②因主軸具有5個自由度,不適合重切削;③適合大型工件加工,如汽車鈑金模具或航天零件。

        (3)型式c:工作臺/主軸傾斜型,即兩個旋轉(zhuǎn)軸分別在刀具軸及工作臺,具有3個平移和1個旋轉(zhuǎn)自由度的主軸及一個旋轉(zhuǎn)平臺。

        表1 五軸立式加工中心的旋轉(zhuǎn)軸位置型式分類

        2 五軸加工特性分析

        傳統(tǒng)三軸數(shù)控加工中心只有3個正交的X,Y,Z軸,刀具只能沿著此三軸做線性平移,而使加工工件幾何形狀受限,而五軸數(shù)控加工中心多了2個旋轉(zhuǎn)軸,在同步運動控制下,允許刀具以適當?shù)膬A斜方向?qū)ぜ庸?,銑刀?jīng)由刀軸方向改變而提高表面精度及提升加工效率。圖3為三軸加工中心在凹凸曲面加工路徑中出現(xiàn)的干涉。

        圖2 五軸立式加工中心的布局

        圖3 三軸加工中心曲面加工中的干涉現(xiàn)象

        圖4 為三軸與五軸齒輪加工模式比較。三軸聯(lián)動數(shù)控機床利用端銑刀銑削加工齒輪時,由于機床無法旋轉(zhuǎn)刀具軸向,只能線性移動加工銑削齒輪表面輪廓,其表面加工紋理如圖4(a)所示,在齒輪高速傳動時,兩齒面間的摩擦會造成嚙合運動不順暢且噪聲較大,故該加工方式只適用于低轉(zhuǎn)速機械傳動齒輪的加工。采用五軸數(shù)控加工中心進行齒輪銑削加工時,因刀具軸向可根據(jù)加工方式改變,也可規(guī)劃不同刀具進給方向或可規(guī)劃較小的刀具路徑間距來滿足需求,可得到良好的加工結(jié)果,所以五軸加工較三軸加工效果好。

        3 結(jié)論

        綜上所述,應(yīng)用五軸加工的特點如下(見圖5):①加工多個斜角倒勾曲面時,利用旋轉(zhuǎn)軸直接旋轉(zhuǎn)工件可避免刀具干涉,并節(jié)省校正精度的時間;②采用五軸加工方式及刀軸角度變化,可以避免刀具頂點摩擦,延長刀具壽命;③使用刀側(cè)切削可減少加工道次,獲得最佳質(zhì)量,提升加工效能;④當傾斜角很大時,可降低工件變形量;⑤可減少使用各種成型刀,通常用一般刀具即能完成加工。

        圖4 三軸與五軸齒輪加工模式比較

        圖5 五軸加工特點

        [1] 趙岐剛,于世忠.數(shù)控銑床零件加工技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

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