五轴联动数控机床的结构和应用

刘敏 罗建

(1.扬州市职业大学,江苏扬州 225009;2.江苏邗建集团有限公司,江苏扬州 225009)

五轴联动数控机床的结构和应用

刘敏1罗建2

(1.扬州市职业大学,江苏扬州 225009;2.江苏邗建集团有限公司,江苏扬州 225009)

介绍了五轴联动数控机床产生的背景,指出五维多轴联动的基本定义,阐述了几种常用的五轴联动机床编程的CAD/CAM系统,以手柄模型为例进行五轴联动加工。

五轴 联动 加工中心

1 五轴联动机床产生的背景

五轴加工中心也叫五轴联动加工中心,是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲面的加工中心,这种加工中心系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业有着举足轻重的影响力。目前,五轴联动数控加工中心系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。

五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点,工件一次装夹就可完成复杂的加工。能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代产品与模具的加工。五轴加工中心是一种高科技的手段,它让不可能变成了可能,一切的空间曲面,异型加工都可以完成实现。它不但能够完成复杂工件完成机械化加工的任务,而且还能够快速提高加工效率,缩短加工流程。

2 五维多轴联动的基本定义

通常的数控机床都是三维的,从数学意义上分类,维数是指机床在运动过程中所涉及的坐标系;轴数是指有几根主轴(不包括次要的轴);联动是指可以同时运动并参与插补维数的主轴数。例如,有5根主轴,可以同时运动,没有互锁,但仅能在三维内实现同时运动并完成插补,这个数控机床是三维联动五主轴同动数控机床。只是具有xyz三个纸箱坐标运动的五根轴的三维数控机床,即三轴联动数控机床。在通常的定义中,许多人把主轴的个数与机床运动的维数搞混,把联动和同动搞混,把几个轴作为衡量数控机床水平是不严密的。本文的“五轴联动”是简称,严格的讲应该是五维多轴联动数控机床。

五轴数控机床一般是指五个数字控制系统在五个坐标轴系内同时完成运动和插补的机床。通常必须具有xyz三个直线运动坐标外,另外还有两个回转运动轴坐标。数控机床的联动是指三个直线运动坐标x、y、z和A、B、C三个转动中任意两个坐标的组合。通常我们定义:绕x、y、z轴的旋转坐标系分别为A、B、C轴,具体位置关系见图1。一般它们都采用线性插补运动实现联动。

图1 六个坐标的定义方法

图2 手柄模型

在实际工程中,这些数控轴却不一定全部都同时参与插补和实现联动,其中有多少数控轴可以同时参与插补和实现联动,其中有多少数控轴可以同时参与位置点计算和插补计算的就叫几维联动,通常被我们称为几轴联动。于是,我们就会听到这种讲法:5轴4联动数控机床、5轴9联动数控机床等等。

3 五轴联动机床加工的造型和编程

五轴加工一般不可能再用手工编程,编制加工程序必须采用C A D/C A M系统。经过几十年的发展,C A D/C A M技术在五轴联动、五面体加工等高端的应用也已经相当广泛,在中国,引进的有关CAD/CAM系统就有Cimatron,Delcam,Mastercam,UG,Solidege,Solid-works, Pro/Engineer等,国内自主品牌的CAD/CAM系统几乎只有北航海尔的CAXA系统。对于五轴加工,根据不同的加工对象,这些系统各有所长,比如说,在磨具制造的五轴加工方面,Delcam的Powermill功能在特征技术、后处理、干涉检查、加工循环和仿真切削等方面都比较强大,操作使用方便。针对不同的加工行业和加工对象,好的CAM系统都有相应的软件包,专业专用,很难有一种软件可以包打天下。

图3

图4 加工仿真图

图5 加工零件

4 典型五轴零件的加工

加工图2所示的手柄模型零件,材料铝合金,零件尺寸φ60X100mm,加工要求表面精度Ra3.2。数控机床Huron K2X8 Five。

4.1 零件的工艺分析

根据所给的三维零件,根据零件模型确定零件的毛坯尺寸φ60X100mm,零件属于五轴联动加工类型零件,不需要补孔。

4.2 制定数控加工工艺路线

分析零件的数控加工工艺,制定加工路线和加工策略:工序1,开粗,加工模型上半部分,φ10立铣刀,径向加工余量0.15,轴向加工余量0.15,公差0.1。工序2,开粗,加工模型下半部分,φ10立铣刀,径向加工余量0.15,轴向加工余量0.15,公差0.1。工序3,精加工,加工曲面,φ6球刀,加工余量为0,公差0.01。工序4,刻字,加工文字,φ1球头,加工余量为0,公差0.01。

4.3 数控编程(如图3)

仿真结果如图4所示将程序导入五轴加工中心,进行加工,加工结果如图5所示。

5 结语

五轴联动机床的使用比三轴机床要复杂许多,使用成本也高出许多,对编程、操作人员的要求也要高出许多,但是采用五轴联动机床可以一次装夹工件,完成除了装夹面以外的其它所有面的加工,有效的解决了多次装夹引起的误差,节省了装夹时间;其次是可以做到普通三轴机床因刀具“干涉”而不能加工的工件,如叶轮等。因此,使用五轴机床可以高效的加工出三轴机床不可能得到的高精度的零件。

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刘敏(1982—),女,扬州市职业大学讲师,硕士。