劉敏 羅建

(1.揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué),江蘇揚(yáng)州 225009;2.江蘇邗建集團(tuán)有限公司,江蘇揚(yáng)州 225009)

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

劉敏1羅建2

(1.揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué),江蘇揚(yáng)州 225009;2.江蘇邗建集團(tuán)有限公司,江蘇揚(yáng)州 225009)

介紹了五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生的背景,指出五維多軸聯(lián)動(dòng)的基本定義,闡述了幾種常用的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床編程的CAD/CAM系統(tǒng),以手柄模型為例進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)加工。

五軸 聯(lián)動(dòng) 加工中心

1 五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床產(chǎn)生的背景

五軸加工中心也叫五軸聯(lián)動(dòng)加工中心,是一種科技含量高、精密度高專門用于加工復(fù)雜曲面的加工中心,這種加工中心系統(tǒng)對(duì)一個(gè)國(guó)家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等等行業(yè)有著舉足輕重的影響力。目前,五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型柴油機(jī)曲軸等等加工的唯一手段。

五軸聯(lián)動(dòng)加工中心有高效率、高精度的特點(diǎn),工件一次裝夾就可完成復(fù)雜的加工。能夠適應(yīng)像汽車零部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等現(xiàn)代產(chǎn)品與模具的加工。五軸加工中心是一種高科技的手段,它讓不可能變成了可能,一切的空間曲面,異型加工都可以完成實(shí)現(xiàn)。它不但能夠完成復(fù)雜工件完成機(jī)械化加工的任務(wù),而且還能夠快速提高加工效率,縮短加工流程。

2 五維多軸聯(lián)動(dòng)的基本定義

通常的數(shù)控機(jī)床都是三維的,從數(shù)學(xué)意義上分類,維數(shù)是指機(jī)床在運(yùn)動(dòng)過程中所涉及的坐標(biāo)系;軸數(shù)是指有幾根主軸(不包括次要的軸);聯(lián)動(dòng)是指可以同時(shí)運(yùn)動(dòng)并參與插補(bǔ)維數(shù)的主軸數(shù)。例如,有5根主軸,可以同時(shí)運(yùn)動(dòng),沒有互鎖,但僅能在三維內(nèi)實(shí)現(xiàn)同時(shí)運(yùn)動(dòng)并完成插補(bǔ),這個(gè)數(shù)控機(jī)床是三維聯(lián)動(dòng)五主軸同動(dòng)數(shù)控機(jī)床。只是具有xyz三個(gè)紙箱坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的五根軸的三維數(shù)控機(jī)床,即三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。在通常的定義中,許多人把主軸的個(gè)數(shù)與機(jī)床運(yùn)動(dòng)的維數(shù)搞混,把聯(lián)動(dòng)和同動(dòng)搞混,把幾個(gè)軸作為衡量數(shù)控機(jī)床水平是不嚴(yán)密的。本文的“五軸聯(lián)動(dòng)”是簡(jiǎn)稱,嚴(yán)格的講應(yīng)該是五維多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。

五軸數(shù)控機(jī)床一般是指五個(gè)數(shù)字控制系統(tǒng)在五個(gè)坐標(biāo)軸系內(nèi)同時(shí)完成運(yùn)動(dòng)和插補(bǔ)的機(jī)床。通常必須具有xyz三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)外,另外還有兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸坐標(biāo)。數(shù)控機(jī)床的聯(lián)動(dòng)是指三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)x、y、z和A、B、C三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)中任意兩個(gè)坐標(biāo)的組合。通常我們定義:繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系分別為A、B、C軸,具體位置關(guān)系見圖1。一般它們都采用線性插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。

圖1 六個(gè)坐標(biāo)的定義方法

圖2 手柄模型

在實(shí)際工程中,這些數(shù)控軸卻不一定全部都同時(shí)參與插補(bǔ)和實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng),其中有多少數(shù)控軸可以同時(shí)參與插補(bǔ)和實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng),其中有多少數(shù)控軸可以同時(shí)參與位置點(diǎn)計(jì)算和插補(bǔ)計(jì)算的就叫幾維聯(lián)動(dòng),通常被我們稱為幾軸聯(lián)動(dòng)。于是,我們就會(huì)聽到這種講法:5軸4聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床、5軸9聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床等等。

3 五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工的造型和編程

五軸加工一般不可能再用手工編程,編制加工程序必須采用C A D/C A M系統(tǒng)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,C A D/C A M技術(shù)在五軸聯(lián)動(dòng)、五面體加工等高端的應(yīng)用也已經(jīng)相當(dāng)廣泛,在中國(guó),引進(jìn)的有關(guān)CAD/CAM系統(tǒng)就有Cimatron,Delcam,Mastercam,UG,Solidege,Solid-works, Pro/Engineer等,國(guó)內(nèi)自主品牌的CAD/CAM系統(tǒng)幾乎只有北航海爾的CAXA系統(tǒng)。對(duì)于五軸加工,根據(jù)不同的加工對(duì)象,這些系統(tǒng)各有所長(zhǎng),比如說,在磨具制造的五軸加工方面,Delcam的Powermill功能在特征技術(shù)、后處理、干涉檢查、加工循環(huán)和仿真切削等方面都比較強(qiáng)大,操作使用方便。針對(duì)不同的加工行業(yè)和加工對(duì)象,好的CAM系統(tǒng)都有相應(yīng)的軟件包,專業(yè)專用,很難有一種軟件可以包打天下。

圖3

圖4 加工仿真圖

圖5 加工零件

4 典型五軸零件的加工

加工圖2所示的手柄模型零件,材料鋁合金,零件尺寸φ60X100mm,加工要求表面精度Ra3.2。數(shù)控機(jī)床Huron K2X8 Five。

4.1 零件的工藝分析

根據(jù)所給的三維零件,根據(jù)零件模型確定零件的毛坯尺寸φ60X100mm,零件屬于五軸聯(lián)動(dòng)加工類型零件,不需要補(bǔ)孔。

4.2 制定數(shù)控加工工藝路線

分析零件的數(shù)控加工工藝,制定加工路線和加工策略:工序1,開粗,加工模型上半部分,φ10立銑刀,徑向加工余量0.15,軸向加工余量0.15,公差0.1。工序2,開粗,加工模型下半部分,φ10立銑刀,徑向加工余量0.15,軸向加工余量0.15,公差0.1。工序3,精加工,加工曲面,φ6球刀,加工余量為0,公差0.01。工序4,刻字,加工文字,φ1球頭,加工余量為0,公差0.01。

4.3 數(shù)控編程(如圖3)

仿真結(jié)果如圖4所示將程序?qū)胛遢S加工中心,進(jìn)行加工,加工結(jié)果如圖5所示。

5 結(jié)語

五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的使用比三軸機(jī)床要復(fù)雜許多,使用成本也高出許多,對(duì)編程、操作人員的要求也要高出許多,但是采用五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床可以一次裝夾工件,完成除了裝夾面以外的其它所有面的加工,有效的解決了多次裝夾引起的誤差,節(jié)省了裝夾時(shí)間;其次是可以做到普通三軸機(jī)床因刀具“干涉”而不能加工的工件,如葉輪等。因此,使用五軸機(jī)床可以高效的加工出三軸機(jī)床不可能得到的高精度的零件。

[1]馬巖,王毅亮,羅閣.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控木工機(jī)床的運(yùn)動(dòng)原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[J].木工機(jī)床,2010 No.25-10.

[2]杜玉湘,陸啟建,劉明.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2008.37(3).

[3]張伯霖.高速切削技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[4]陶學(xué)恒,馬麗敏.五軸聯(lián)動(dòng)并聯(lián)機(jī)床的三維實(shí)體建模及運(yùn)動(dòng)仿真[J].《機(jī)械工程師》，2005(9):48-49.

劉敏(1982—),女,揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)講師,碩士。