浅谈五轴加工中心技术设计和进展研究

摘 要：加工中心是机械制造 行业中非常重要的儀器装置，一个国家的加工中心所蕴含的科技分量和先进程度是评价一个国家装备制造业的重要指标。鉴于国内拥有自主产权的加工中心在加工效率和加工精度上都和国外发达国家有一定差距，本次设计是以更深入的了解加工中心以及填补 国内经济 型高性 能加工中心的空缺 为目的，研究分析国内外先进技术，设计一台经济型立式五轴联动加工中心，在能够满足高速度切削的基础上，控制X，Y，Z方向进给的加工精度，并且在两个旋转轴（A，C）的高精度的配合联动下，可以实现加工中心的高性能目标。

关键词：五轴加工中心；高速切屑；经济型；结构设计

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

1 引言

随着综合国力的提高，国内第二产业发展越来越好，汽车模具业，航空航天业等所需要的产品零部件形状越来越复杂，所需要的加工精度要求也越来越高。所以对能完成这些零部件生产加工的五轴机床需求日益增长。国内的机床还大部分都是以三轴加工中心的，而主要的大批量的五轴加工中心都是依靠进口的来源。加工中心是机械制造 行业中非常重要的仪器装置，一个国家的加工中心所蕴含的科技分量和先进程度是评价一个国家装备制造业的重要指标。鉴于国内拥有自主产权的加工中心在加工效率和加工精度上都和国外发达国家有一定差距，所以研发五轴加工中心具有重要的现实意义。

2 技术现状分析

市面上的一般三轴数控机床是指那种拥有X，Y，Z三个直线移动轴的加工机床。而五轴数控联动加工机床其实也不是很难，是可以在三轴机床的基础上衍生发展而来的。保留移动轴，再增加两个数控的旋转轴（X，Y，Z 方向的旋转轴三选二） 。为工件旋转和摆动，而且增加了自动换刀，大大降低了加工复杂表面的时间，工件设定夹紧时间，可很大程度上提高生产效率，以及提高工件表面的加工精度。 五轴联动加工中心在加工零件时，由于旋转和摆动部件的加工条件可变，自动换刀器需要频繁更换刀具，因此旋转和摆动部件，自动换刀更容易失效，成为五轴加工中心弱项，为了增加可靠性，有必要优化设计。设计一台能够满足一般小型叶轮加工生产及学生实训要求的经济型五轴加工中心。对于五轴加工中心来说主要的设计部分分为以下几个部分：五轴加工中心整体设计，考虑到动力学分析，五轴坐标系的建立，CAD /CAM等软件的设计和建模，刀具的合理选用设计，工艺路线的建立和完善。我的主要工作就是整体及Y轴相关零部件设计，而这些与以上几点也是密不可分的，所以要全面考虑统筹设计。设计一台能够满足一般小型叶轮生产及学生实训要求的经济型五轴加工中心。该加工中心的功能是能够满足加工小型叶轮、涡轮、复杂凸轮曲面、还有中、小型2D或3D复杂曲面的的设计加工、凸轮、模具、箱体、阀体类等直径小于500mm之内或者和其类似的复杂零件的要求。

3 实验设计与研究

在本次的设计中，为了设计一款经济型立式五轴数控加工中心，我们参考价借鉴了大量文献。从国内外的加工中心发展状况以及水平差异，到加工中心的发展历史。了解了加工中心从20世纪六十年代至今它50多年的发展历程中，在工作效率、加工精度、加工工件的复杂程度以及可操作性上的种种改变，创新，变化和突破，历经各种困难和技术突破从而形成了现如今的先进的具有高速切削速度、高精度、多工序、加工工件种类多样化、先进数控系统以及便捷方便的操作性的功能强大的加工中心。结合国内的加工中心发展路历程，并与国外进行了对比之后，发现了国内的发展状况与国外的有着不小的差距。因此我们在指导老师的带领下对国外的一些有名的加工中心所采用的设备进行了相关研究和分析，在各个部件的选择上既参考了国外优良结构特点又结合了国内的经济现状，从而合作设计这样的一台VMC-C30经济型立式数控五轴加工中心。加工中心的整体结构布局采用动立柱式的布局，X、Y、Z三个直线进给方向的进给都由刀具移动来完成，这样的设置进给系统的承载不会随着加工工件的不同而变化，而且由于机床前部只有工作台和床身两层结构，也使得机床的刚性得到了加强。这对一些高精密加工中心的了解中，我发现都有一个可以高速切削的主轴。然而我们的命题是经济型，要考虑到经济的因素，所以我们放弃了高速电主轴而选用了性能相对差一点的滚珠丝杠加独立电机的方式。

通过装配好的轴和齿轮的布局，设计工作台箱体。这样设计比以前之间进行二维图的绘制要直观，设计的结构更加合理紧凑，调整起来也比较方便。最后再由总体装配好的三维图直接导出工程图，并且加以修改，然后得出了最后的总体装配图、进给系统装配图和工作台装配图。 由具有直线运动能力的滚珠导轨和高精 度高速伺 服电机驱动的全 动式立 柱进给系统再配合上有精确传动的摆 动台和回转 台构成的数 控工 作台，再加上方便便捷的机械手换刀和刀盘，这样就组成了这么一台可以说得上是经济型的立式数控五轴加工中心了。

4 结论

本次设计仍然有一些缺陷和不足之处，另外，因为我们在三维软件的使用上仍然处于初级阶段，所以对一些制图功能的使用上没办法实现真正的方便和准确。再构建模型的时候对于机床上一些细部结构的设计上也有一些缺陷，有的地方没有完全考虑加工工艺性。但是在查阅和参考资料后，基本可以做到设计合理，使自己的能力得到提高。

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作者简介：杨朝齐（1982-），男，河北唐山人，大专，助理工程师，研究方向：计算机辅助设计与制造技术在装备制造领域的实践应用。endprint