高速五轴联动立式加工中心及其应用分析
2016-9-18 来源： 汉川数控机床股份公司 作者： 念 勇
摘要：本文以高速五轴联动立式加工中心为例，介绍其加工案例，分析了五轴联动机床应用的优点。
设计主管念勇
1. 高速五轴联动立式加工中心
我公司该系列机床有HVMC500F5和HVMC630F5两种规格， 旋转工作台分别为φ 500mm和φ 630mm，主轴最高转速12 000r/m i n，快速移动速度45 000m m/m i n， 转台旋转360°，摆动-110°/110°。其采用龙门框架结构，高刚性的天车式设计，如图1所示。工作台采用摇篮式两轴转台，承载大、精度高；C轴采用力矩电动机驱动工作台转动，转台连续运转，最小分度精度可达0.000 1°，控制精度可靠性高，输出转矩大；A轴采用双齿轮消隙减速箱，保证定位精度和运动精度；对中空丝杠进行内部强制循环冷却，保证精度稳定持久。刀库采用固定式伞形刀库，主轴抓刀，提高换刀的可靠性，换刀快速。该系列高速五轴加工中心主要用于中、小等尺寸，中、小等重量的各种基础大件、板件、盘类件、有空间曲面的中小型壳体、模具及箱体类等多品种零件的加工，叶片、叶轮、模具轮廓和涡轮叶片的复杂平滑曲面加工，是汽车、模具及航空航天等行业精密复杂零件加工的重要设备。
该系列机床采用床身、工作台固定，横梁移动式结构，刀具有X、Y、Z运动，为动柱式立式数控机床，考虑到高速运动的特殊性，在保证机床足够刚度的情况下，尽量减少运动的惯量，使得机床高速加工中的跟踪误差趋于最小，最终提高高速加工的精度和质量。机床横梁采用两条直线滚动导轨，具有极高的承载能力和卓越的高速性能，寿命长、噪声低；长期无需维修保养，有极佳的稳定性；全闭环控制，定位准确， 动态性能优异。导轨丝杠具有可靠的防尘、防水和防切屑的装置。刀库放置于床身两导轨之间，减少了占地面积，结构紧凑。排屑器放在工作台的下面，保证切屑快速导入排走，热量不会传至床身，提高机床的加工精度。采用全封闭的防护装置， 确保加工过程中安全、整洁。
图1 HVMC500F5高速五轴联动立式加工中心
2. 加工验证
为了验证高速五轴联动立式加工中心的加工精度和性能，在完成机床静态精度调整的基础上，通过加工S试件（见图2），检验机床的加工精度是否达标。基于S试件测量结果和机床五轴联动（RTCP）精度检测，搜寻并分析存在问题的驱动轴，通过编制特定程序并测量机床运动轨迹，在对轨迹进行频域分析、圆度分析的基础上，完成机床机械结构和动态性能参数的调整，进而提升机床的动态精度。
图2 S试件加工
用此系列五轴联动机床加工的实例很多，除了用于检验机床性能的S试件，还有人体模型、叶片、叶轮及大力神杯模型等，下面以大力神杯模型（见图3）为例，从工艺的角度分析该五轴联动机床加工的优点。
（1）工艺分析。大力神杯模型顶部较大并逐步向底部缩小，结构呈倒扣形，外部刻有两个形象的大力士托起地球等图案，各曲面之间过渡光洁平滑、图案生动有神，尺寸精度和表面质量要求较高。此模型多为回旋倒扣曲面，曲面比较陡，结构复杂，构成的图素相当精细，特别是地球和人脸部分十分细小逼真。
针对模型的外形特点， 毛坯选择圆柱棒料，由于普通立式三轴联动数控铣床不能完成所有特征加工，所以需要三轴以上加工中心才能满足加工条件。如果表面粗糙度值要求不高，可以选择带第四轴的立式加工中心或者卧式加工中心加工， 这两种机床都是四轴机床，可以加工该模型大部分的曲面，但是由于该零件的尺寸精度和表面质量要求较高，则对于地球和人脸部分细小的纹路，四轴机床在加工中会存在以下两个问题：①加工地球和人脸部分细小的纹路时，需要用R0.75mm球头铣刀，为了达到很好的表面粗糙度值，必须有很高的线速度，这就要求机床转速达到10 000r/min以上，而一般的立式加工中心最高转速8 000r/min，卧式加工中心的最高转速6 000r/min，显然不符合要求。如果为了得到较高的转速给这两类机床安装电主轴，机床需进行改型设计，会增加额外的成本。②使用球头铣刀加工曲面，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球头铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差。
图3 大力神杯模型
为了满足加工要求， 选用HVMC500F5高速五轴联动立式加工中心。如图4所示，使工件相对主轴转过一个角度，进而使球头铣刀避开顶点切削， 保证有足够的线速度，这样就可以很好地保证表面加工质量。同时，五轴联动数控机床加工避免多次装夹，使零件装夹变得容易，无需特殊夹具，减少了夹具的使用数量，降低了夹具使用成本，提高了加工精度，还可以省去许多特殊刀具，降低了刀具的使用成本。
图4 大力神杯模型的五轴加工
（2）装夹找正。把已经车削好的毛坯，采用三爪自定心卡盘装夹，并使用千分表对零件的同轴度和水平度进行调整，用分中棒找正工件圆心和毛坯顶部为三轴的原点，通过螺钉和压板安装在机床的转台上。
（3）工艺路线。通过上述分析，综合考虑加工成本和加工效率， 制定出加工工艺路线如下：①粗加工，毛坯选用圆柱棒料，用车床切削去除尽可能多的余料，使其底部平整。②半精加工，采用四轴立式加工中心进行工件的半精加工，完成大部分的曲面加工，留精加工加工余量。③ 精加工， 五轴联动机床的高速精加工，尤其是对于地球和人脸部分细小的纹路，一次加工成形。
3. 结语
在完善高速五轴联动立式加工中心系列的同时，为满足航空航天、模具加工等领域高速、高精度、中切深、快进给加工的需求， 我公司在定梁式、动梁式、定梁动柱式和动梁动柱式龙门加工中心系列机床的基础上，创新研发设计了五轴联动桥式龙门加工中心，并推出了五轴联动铣头，提高了五轴联动机床的竞争力，而且逐步完成了机床和机床功能部件的模块化、系列化设计，不断开发性能优良的高新产品，以适应机床制造业日趋激烈的竞争。
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