多轴加工机床的优化设计探讨

1.多轴加工

多轴加工就是多坐标加工。它与普通的二坐标平面轮廓加工和点位加工、三坐标曲面加工的本质区别就是增加了旋转运动,因此,多轴加工时刀轴的姿态角度不再是固定不变的,而是根据加工需要随时产生变化。当数控加工增加了旋转运动以后,刀心坐标位置计算或是刀尖点的坐标位置计算就会变得相对复杂。多轴加工的情况可以分为：

①3个直线轴同1～2个旋转轴的联动加工,这种加工被称为四轴联动或五轴联动加工。

②1～2个直线轴和1～2个旋转轴的联动加工。

③3个直线轴同3个旋转轴的联动加工,用于这种加工的机床被称为并联虚轴机床。

④刀轴呈现一定的旋转角度不变,三个直线轴作联动加工,这种加工被称为多轴定向加工。

2.多轴机床

多轴数控机床是指在一台机床上至少具备第4轴。如四轴数控机床有3个直线坐标轴和1个旋转坐标轴,并且4个坐标轴可以在计算机数控(CNC)系统的控制下同时协调运动进行加工。五轴数控机床具有3个直线坐标轴和2个旋转坐标轴,并且可以同时控制、联动加工。与三轴联动数控机床相比较,利用多轴联动数控机床进行加工的主要优点如下。

①可以一次装夹完成多面多方位加工,从而提高零件的加工精度和加工效率。

②由于多轴机床的刀轴可以相对于工件状态而改变,刀具或工件的姿态角可以随时调整,所以可以加工更加复杂的零件。

③由于刀具或工件的姿态角可调,所以可以避免刀具干涉、欠切和过切现象的发生,从而获得更高的切削速度和切削宽度,使切削效率和加工表面质量得以改善。

④多轴机床的应用,可以简化刀具形状,从而降低刀具成本。同时还可以改善刀具的长径比,使刀具的刚性、切削速度、进给速度得到大大提高。

⑤在多轴机床上进行加工时,工件夹具较为简单。由于有了坐标转换和倾斜面加工功能,使得有些复杂型面加工,转变为二维平面的加工。由于有了刀具轴控制功能,斜面上孔加工的编程和操作也变得更加方便。(www.xing528.com)

由于增加了旋转轴,所以与三轴数控机床相比,多轴机床的刀具或工件的运动形式更为复杂,主要有以下几种形式。

(1)三轴立式加工中心

在三轴立式数控铣床或加工中心上,附加具有一个旋转轴的数控转台来实现四轴联动加工,即所谓3＋1形式的四轴联动机床。由于以立式铣床或加工中心作为主要加工形式,所以数控转台只能算作是机床的一个附件。其主要特点是：

①价格相对便宜。由于数控转台是一个附件,所以用户可以根据需要选配。

②装夹方式灵活。用户可以根据工件的形状选择不同的附件,既可以选择三爪自定心卡盘装夹,也可以选配四爪单动卡盘或者花盘装夹。

③拆卸方便。用户在利用三轴加工大工件时,可以把数控转台拆卸下来。当需要时可以很方便地把数控转台安装在工作台上进行四轴联动加工。

(2)三轴立式加工中心附加可倾斜式数控转台的五轴联动机床

在三轴立式数控铣床或加工中心上,附加具有两个旋转轴的可倾斜式(摇篮式)数控转台来实现五轴联动加工,即所谓3＋2形式的五轴联动机床。如果机床的数控系统具有5个伺服单元,同时具备控制五轴联动的功能,用户只要安装上可倾斜式数控转台,即可进行五轴联动的数控加工。其特点与3＋1形式的四轴联动机床相类似。

(3)四轴立式(卧式)加工中心附加数控转台

机床的主轴可绕B轴旋转,使用时附加具有一个旋转轴的数控转台,实现五轴联动。

(4)五轴联动加工中心

五轴联动数控铣床旋转部件的运动方式各有不同,有些机床设计成刀具摆动的形式,而有些机床则设计成工件摆动的形式。大体可以归纳为3种形式：双摆台形式、双摆头形式和一摆台一摆头形式。