Kaiyun网址 开云五 轴 加 工 2009-11-19 五 轴 加 工 一、五轴加工发展与未来 五轴加工的方法和机床，早在 20 世纪 60 年代，国外航空工业为了加工一些具有连续平滑而复杂 的自由曲面大件时，就已开始采用了，但一直没能在更多的行业中获得广泛应用，只是近 10 年来才有 了较快的发展。 究其原因，主要是五轴加工存在着很多难点： 1、编程复杂、难度大。因为五轴加工不同于三轴，它除了三个直线运动外，还有两个旋转运动参 与，其所形成的合成运动的空间轨迹非常复杂和抽象，一般难以想象和理解。如为了加工出所需的空间 自由曲面，往往需通过多次坐标变换和复杂的空间几何运算，同时还要考虑各轴运动的协调性，避免干 涉、冲撞，以及插补运动要适时适量等，以保证所要求的加工精和表面质量，编程难度很大。 2、对数控及伺服控制系统要求高。由于五轴加工需要有五轴同时协调运动，这就要求数控系统首 先必须具有至少五轴联动控制的功能；另外由于合成运动中有旋转运动的加入，这不仅增加了插补运算 的工作量，而且由于旋转运动的微小误差有可能被放大从而大大影响加工的精度，因此要求数控系统要 有较高的运算速度 ( 即更短的单个程序段的处理时间)和精度。所有这些都意味着数控系统必须增加 RISC 芯片的处理器来进行处理(即采用多个高位数的CPU 结构) 。另外，五轴加工机床的机械配置有刀 具旋转方式，工件旋转方式和两者的混合式，数控系统也必须能满足不同配置的要求。最後，为了能实 现高速、高精的五轴加工，数控系统还要具有前瞻(Look Ahead)功能和较大的缓冲存储能力，以便在程 序执行之前对运动数据进行提前运算、处理并进行多段缓冲存储，从而保证刀具高速运行时误差仍然较 小。所有这些要求，都增加数控系统结构的复杂性和开发的难度。 3、五轴机床的机械结构设计和制造比三轴机床更复杂和困难。因为机床要增加两个旋转轴坐标， 就必须采用能倾斜和转动的工作台或能转动和摆动的主轴头部件。对增加的这两个部件，既要求其结构 紧凑，又要具有足够大的力矩和运动的灵敏性及精度，这比设计和制造普通三轴加工机床困难。 作为上述三项因素综合影响的结果，五轴加工机床的价格比较昂贵。例如，早年一台五轴机床的价 格约为一台相同规格的三轴机床的 2~3 倍，现在差距虽然缩小了，但还是比三轴机床高出 50%左右， 因而在某种程度上也影响了企业对五轴机床的投资。 近年来，由于科技的进步，特别是微电子技术的快速发展，使得五轴数控系统的性能/价格比大为 提高(即相对便宜了)；大力矩电机的成功开发并应用于摆动、回转工作台和主轴头部件，代替了这些部 件原来采用的齿轮，蜗轮/蜗杆传动，从而使得这些部件的结构紧凑、性能质量提高，五轴机床的设计、 制造也更方便容易了，价格也有较大下降，可能还有其它种种因素的影响，所以现在有许多迹象表明， 五轴加工机床正在快速发展。 从在中国举办的中国国际机床展(CIMT)来看，CIMT9 吋，中国第一次展出一台国产五轴联动加工 机床，在 CIMT 2001 就展出 12 台(其中国产的4 台，占 1/3)，CIMT 2003 则展出了多达 36 台(其中国 产的 18 台，占 1/2)五轴加工机床。相隔 2 年展出的五轴机床，增加了 2 倍多，其中国产的则增加了 3.5 倍，而且结构形式多种多样。 从在美国举办的国际机床展(IMTS)来看，如果说，IMTS 2000 给人的印象只是“五轴加工机床展出明 显增加了”的线 给人的感觉则是“几乎所有展出的加工中心和数控铣床都可以实现五 轴联动和五面加工”了。欧洲 EMO 2003 机床展更是令人感到“五轴加工机床普及化，生产实用化”了， 可见五轴加工机床发展之快，变化之大。 从销售市场看，据日本机床工业协会统计，1992 年日本数控系统出厂的台数为 35,895 台，其中装 在 4~5 轴以上复合加工机床的为 8,117 台，占全部的22.6%，而2001 年数控系统出厂的台数为 42,899 台，其中用在4~5 轴以上加工机床的就有 13,143 台，占总数的 30.1% 。另外，有报道说，在日本生产 销售五轴加工机床及其相关设备的企业共有 22 家。 1 实际上，五轴加工在大批量生产中的应用日益增多，有些是零件的某些部位确实需要五轴联动加工， 而有些零件的加工完全不需要五轴联动。这种应用的增多是因为零件越来越复杂和零件精度要求越来越 高。这类零件是绝大多数五轴加工的代表(图 1)。在这种情况下，具有一次装夹完成全部加工的优点， 采用五轴加工的原因是可提高加工能力和生产效率。 图 1 五轴加工的市场份额 多数实用五轴机床是由三个直线坐标 轴和二个回转轴组成的。除此之外，已经 证明刀具一侧有三个直线坐标轴加二个回 转坐标轴的 3+2 轴零件定位(耳轴和行星式 结构)是一种很好的解决方案。另一种创新 变型设计是刀具一侧使用三个直线轴和一 个回转轴，工件只用一个回转轴驱动( 倾 斜式头架结构) 。下文中将就这两种结构作 进一步探讨。全部五轴运动均由刀具一侧 完成，而工作不仅是飞机和大型模具等大 型零件加工中常用的结构。这是因为零件尺寸和质量太大不可能采用其它结构。最近开发的并联运动机 床也正在进入工业化应用。 现在加工中心逐渐成为机械加工业中最主要的设备，它加工范围广，使用量大。近年来在品种、性 能、功能方面有很大的发展。品种：有新型的立、卧五轴联动加工中心，可用于航空、航天零件加工； 有专门用于模具加工的高性能加工中心，集成三维 CAD/CAM 对模具复杂的曲面超精加工；有适用于 汽车、摩托车大批量零件加工的高速加工中心，生产效率高且具备柔性化。性能：普遍采用了万转以上 的电主轴，最高可达6～10 万转；直线电机的应用使机床加速度达到了 3-5g； 执行 ISO/VDI 检测标准，促使制造商提高加工中心的双向定位精度。功能： 糅合了激光加工的复合功能，结构上适合于组成模块式制造单元（FMC ） 和柔性生产线（FMS ），并具有机电、通讯一体化功能。 领先一步的机床制造商正在构想 2010 年的“加工中心”，它将是万能型 的设备，可用于车、铣、磨、激光加工等，成为真正意义上的加工中心。全 自动地从材料送进，到成品产出，粗精加工、淬硬处理、超精加工，自动检 测、自动校正，将无所不能。设备将重视环保、节能，呈现出绿色制造业的 标志。21 世纪时代特征的 IT 功能是绝对不可少的，设备将通过网络与外界 交换信息，获得最新的技术成果，人类的智慧将在高科技产品加工中心上得 到充分的展现。 二、五轴加工机床的结构 1、倾斜式旋转工作台 有多家机床制造商生产安装在 3 轴 CNC 数控机床上的倾斜式旋转工作台。简单的旋转工作台已在 市场上销售多年，广泛地应用于世界范围内的小型和大型机加工车间，用于零件的分度，进行各种机加 工操作。倾斜式旋转工作台可以使零件旋转，并可按各种角度倾斜，有利于机床的刀具接近零件的多个 加工面，达到线 轴加工的目的。倾斜式旋转工作台的工作面相对较小，能够安装夹持工件的类型非 常有限，对工件的长度、宽度和重量都有一定的限制。此外，倾斜式旋转工作台本身的体积较大，占据 了主机很大的工作范围。最大的倾斜式旋转工作台甚至可占据主机 75% 以上的工作范围。在进行重型 切削操作时，倾斜式旋转工作台不适合于夹持加工零件，因为长度超过 12in （1in=25.4mm）的零件可 能会碰撞到周围的表面。虽然，倾斜式旋转工作台对于加工小型零件来说是一个非常合适的解决方案， 2 但今天的客户要求机床具有更大的灵活性和宽广的加工能力。如果这只是 5 轴加工惟一可选用的方法， 那么加工车间就无法加工超过它们尺寸和重量限制的工件。 实现超精密加工基本条件超精密加工的市场需求呈现出如下的特点超声振动研磨 PCD 材料的去除 机理超声振动研磨试验及结果分析超精密加工滚动轴承安装常见知识问答机床生产厂的装配工艺问题 机械部分的修复稀油集中润滑系统设计的任务和步骤防止雾化的添加剂。 立式加工中心（三轴）最有效的加工面仅为工件的顶面，卧式加工中心借助回转工作台，也只能完 成工件的四面加工。目前高档的加工中心正朝着五轴控制的方向发展，工件一次装夹就可完成五面体的 加工。如配置上五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工。 2、立式五轴加工中心的结构 此类加工中心的回转轴有两种方式： 一种是工作台回转轴。设置在床身上的工作台可以环绕 X 轴回 转，定义为 A 轴，A 轴一般工作范围+30 度至-120度。工作台的中 间还设有一个回转台，环绕 Z 轴回转，定义为 C 轴，C 轴都是 360 度回转。这样通过 A 轴与 C 轴的组合，固定在工作台上的工件除了 底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A 轴和 C 轴 最小分度值一般为 0.001 度，这样又可以把工件细分成任意角度， 加工出倾斜面、倾斜孔等。A 轴和 C 轴如与 XYZ 三直线轴实现联动， 配置高档的数控系统、伺服系统以及软件就可加工出复杂的空间曲 面。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不 能设计太大，承重也较小，特别是当 A 轴回转大于等于 90 度时，工件切削时会对工作台带来很大的承 载力矩。 →图 2 带有两个工作台的 Chiron FZ 15K S 五轴加工 机床 另一种是依靠立式主轴头的回转。主轴前端是一 个回转头，能自行环绕 Z 轴 360 度，成为 C 轴，回转 头上还带可环绕 X 轴旋转的 A 轴，一般可达±90 度以 上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主 轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机 庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点：我们在使用球面 铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表 面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证 有一定的线速度，可提高表面加工质量。这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转 式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在 几秒以内，这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本较高。 立式加工中心的主轴重力向下，轴承高速空运转的径向受力是均等的，回转特性很好，因此可提高 转速，一般高速可达 1,2000r/min 以上，实用的最高转速已达到4,0000 转。主轴系统都配有循环冷却装 置，循环冷却油带走高速回转产生的热量，通过制冷器降到合适的温度，再流回主轴系统。X 、Y 、Z 三直线轴也可采用直线光栅尺反馈，双向定位精度在微米级以内。由于快速进给达到 40～60m/min 以 3 上，X 、Y 、Z 轴的滚珠丝杠大多采用中心式冷却，同主轴系统一样，由经过制冷的循环油流过滚珠丝 杠的中心，带走热量。 3、卧式五轴加工中心的结构 此类加工中心的回转轴有两种方式： 一种是卧式主轴摆动作为一个回转轴，再加上工作台的一个回转轴， 实现五轴联动加工。这种设置方式简便灵活，如需要主轴立、卧转 换，工作台只需分度定位，即可简单地配置为立、卧转换的三轴加 工中心。由主轴立、卧转换配合工作台分度，对工件实现五面体加 工，制造成本降低，又非常实用。也可对工作台设置数控轴，最小 分度值 0.001 度，但不作联动，成为立、卧转换的四轴加工中心， 适应不同加要求，价格具有竞争力。 另一种为传统的工作台回转轴，设置在床身上的工作台 A 轴一般工作范围+20 度至-100 度。工作 台的中间也设有一个回转台 B 轴，B 轴可双向 360 度回转。这种卧式五轴加工中心的联动特性比第一 种方式好，常用于加工大型叶轮的复杂曲面。回转轴也可配置圆光栅尺反馈，分度精度达到几秒，这种 回转轴结构比较复杂，价格昂贵。 2 目前卧式加工中心工作台可以做到大于 1.25m ，对第一种五轴设置方式没有什么影响。但是第二 2 种五轴设置方式比较困难，因为 1.25m 的工作台做A 轴的回转，还要与工作台中间的 B 轴回转台联动 确实困难。卧式加工中心的主轴转速一般在 10,000rpm 以上，由于卧式设置的主轴在径向有自重力，轴 承高速空运转时径向受力不均等，加上还要采用较大的 BT50 刀柄，一般最高可达 20,000rpm 。卧式加 工中心快速进给达到 30～60m/min 以上，主轴电机功率 22-40KW 以上，刀库容量按需要可从 40 把增 加到 160 把，加工能力远远超过一般立式加工中心，是重型机械加工的首选。 4、立式及卧式五轴加工中心应考虑交换台及柔性线 加工中心大多可设计成双工作台交换，当一个工作台在加工区内运行，另一工作台则在加工区外更 换工件，为下一个工件的加工做准备，工作台交换的时间视工作台大小，从几秒到几十秒即可完成。设 计的加工中心应考虑到结构上要适合组成模块式制造单元（FMC ）和柔性生产线（FMS ），模块式制造 单元一般至少有两台加工中心和四个交换工作台组成，加工中心全部并排放置，交换工作台在机床前一 字形排开，交换工作台多的可以排成两行、甚至双层设计。两边各有一个工位作为上下工件的位置，其 余工位上的交换工作台安装着工件等待加工，有一辆小车会按照系统指令，把装着工件的交换工作台送 进加工中心，或从加工中心上取出完成加工的交换工作台，送到下一个工位或直接送到下料工位，完成 整个加工操作。柔性生产线除了小车、交换工作台之外，还有统一的刀具库，一般会有几百把刀具，在 系统中存入刀具的身份编码信息，再通过刀具输送系统送进加工中心，并把用完的刀具取回，柔性生产 线往往还需要一台 FMS 的控制器来指挥运行。 4 5、其它五轴机床结构 五轴加工机床与一般机床的最大区别在于它除了具有通常机床的三个直线 个旋转坐标轴，而且可以五轴联动加工。 而五轴加工机床之间的区别，除了有立式、卧式之分外，则主要还在于他们实现五轴运动的结构型 式和五个运动的分配(配置)上。一般而言，五轴机床有三种结构型式和三种运动配置方式，这两者的组 合，就可以得到有 9 种可能的五轴机床的结构类型。为便于叙述，我们分别用 Aij 来代表各种不同的结 构类型，如下所示。 运动配置方式：1、五个运动全在刀具侧 A11 A21 A31 2 、五个运动全在工件侧 A12 A22 A32 3、五个运动分配在刀具和工件侧 A13 A23 A33 结构形式：1、传统( 串连)结构 2 、并联结构 3、串、并(混)联结构 →图4 济南二机床的龙门移动式五轴数控铣床(A11 型) A11 型，如上中定义，是传统的串联结构的机床，五 个坐标运动(X、Y 、Z 、A 、C)全部集中在刀具一侧来完成， 其代表性产品有如日本丰和机公司的 Millac 853 PE-5X 工 作台固定式五轴立式加工中心和济南二机床集团公司开 发生产的龙门移动式大型五轴联动数控铣床。他们的特点 都是工件/工作台不动，五个运动都由具有旋转和摆动功能 的主轴头(即刀具一侧)来完成。这种结构的机床，优点是 适合于加工具有复杂形面的大型、重型壳体件，如飞机龙 骨、翼梁、大型发动机壳体等。缺点是运动部件质量大， 惯性力大，不适宜于用过高的进给速度和加速度加工。不过运动部件的质量虽大，但较恒定，因为刀具 重量相对较小，改变刀具时，对运动部件重量变化影响不大，故机床的运动特性还是比较稳定的。另一 缺点是带 A 、C 轴功能的主轴头部件设计和制造要求高，难度大。特别是采用蜗轮/蜗杆和齿轮传结构 时，主轴头体积较大。 A12 型是传统串联结构的机床，但五个坐标运动均集中在工件一侧来完成。一种简单易行的实施方 案是在一台三轴数控的升降台立式铣床上再装上一个数控回转工作台，工件装在回转工作台上完成四轴 运动( 尚不是五轴加工)，主轴头则可以固定不动。 → 图 5 瑞 士 Willemin-Macodel 公司 的 五 轴 加 工 中 心 W-418(A13 型) ←图 6 五轴联动高速铣 削 加 工 中 心 HSM400U(A13 型) 5 A13 型也是传统串联结构的机床，但五个坐标运动分别配置在刀具一侧和工件一侧来完成。这种结 构型式的机床产品很多，应用也最广，最普遍。在这 A13 型中，又可按二个转动坐标轴的配置方式进 一步分为三种结构型式的机床。第一种除工件一侧至少有一个移动坐标轴外，二个转动坐标轴均由刀具 一侧的复合主轴头来实现，这主要为大、重型机床所采用，比如工作台移动式五轴联动的龙门铣床或加 工中心。第二种是二个转动坐标轴分别由主轴头摆动和工作台回转来实现，此种型式工作台能承受较大 重量且可以采用标准交换工作台，而主轴头结构又比第一种简单，现多为中型五轴加工机床所采用( 图 5) 。第三种二个回转坐标轴都在工作台一侧，大多是在原三轴控制机床基础上配备数控摆动、回转工作 台发展而成，系中、小型五轴加工机床采用较多的一种结构型式，其缺点是工作台成为刚度相对薄弱的 环节，特别是在需要工作台有较高的转动进给速度和加速度时，所承受的工作重量受到一定限制。图 6 所示为瑞士Mikron 公司在三轴控制高速铣削加工中心HSM 400 的基础上改变工作台类型发展起来的五 轴联动加工机床 HSM 400U 。 A21 型的典型结构是以 Stewart 平台结构原理为基础的并联机 床。一般刀具主轴安装在 Stewart 结构的活动平台上，并通过6根可 控的伸缩杆来控制刀具的空间位姿并完成五轴运动，工件则安装在 固定的底座平台上不动。A21型的代表性产品如美国 G & L 公司的 VARIAX 新概念机床、俄罗斯的 KUM-750精密加工中心、日本大隈 公司带 APC 和 ATC 的PM-600五轴加工中心。 →图7 日本大隈的Stewart 平台并联式机床 PM-600(A21型) 并联结构机床与传统(串联结构)机床比较，其主要的优点是：运 动部件质量轻，运动惯性小，更有利于实现高速度和高加速度的加 工；主轴部件具有重复性，通用性高，适于专业化生产；比刚度高， 且容易通过预加载荷来提高机床的综合刚度；理论精度较高，一般 加工误差不会大于6根伸缩杆运动误差的平均值，不像串联结构的机床那样，各轴运动误差有可能被累 积和放大。 但并联结构机床也存在一些固有的缺点：有效空间比(即有效加工空间对设备占用空间之比)比较小，而 且可加工空间呈非规则形，并随杆长和位姿角变化；因受球铰和虎克铰链转角的制约，Stewart 平台所 能倾斜的角度(即刀具的位姿角)较小，一般只有±40°左右(常用为±30°以下)，从而影响了可加工的範围； 运动和编程较复杂，而且简单的直线根杆联合运动来实现；存在非线性误差和奇异性问题， 当加工在极限位置上进行时，由于微小的振动误差就有可能导致奇异性出现，即导致旋转轴的180°翻 转，这种情况非常危险。 A21型结构机床不仅可用于实现中小型复杂零件的加工，如换上不同的相应工具後，也可作测量机、切 割机、焊接机等工艺设备用。 →图8 美国 Hexel 公司的 P2000型5轴加工铣床(A22型) A22型的基本结构与 A21 同，只是Stewart 平台被倒置，其动平台作为机 床工作台，工件装在其上完成五个坐标运动，而刀具主轴头则被固定在铣床 的立柱上不动，图8所示的美国 Hexel 公司生产的 P2000型铣床就是 A22型结 构机床的代表性产品。这种结构配置的机床主要适用于小型模具的五轴加工， 如零件重量变化大，即运动部件质量变化大，会造成机床运动特性的不稳定。 6 除此之外，A22型结构的其它优缺点与 A21型一样 从理论上讲，采用典型 Stewart 平台结构的机床，不应有 A23型的五轴加工机床的出现，但实际中由于 Stewart 平台所能提供的刀具/工件位姿角太小，满足不了某些具体加工的需要，为了弥补这一缺陷，有 的使用者采取了 Stewart 平台+回转工作台的结构方案。哈工大早年(1999年)研制成功的 HBJ 并联机 床，就采用一个分度转台作辅助来加工叶轮。一般来说增加的分度转台不算是机床的组成部分，只是一 个附件，是在特殊情况下为了解决具体问题才采取的应急措施。 →图9 DCB510混联机床(A31型) A31型混联机床的三个移动坐标轴由并联机构实现，两个转动 坐标轴则由其动平台下串连的主轴头来完成，五个坐标轴均在刀具 一侧，大连机床集团与清华大学合作开发了此种混联机床 DCB510。 此外，天津大学和天津第一机床厂联合开发的 Linapod 机床便可归 入 A33型，它的三个移动坐标轴仍由刀具一侧的并联机构实现，转 动坐标轴现使用数控回转工作台，若改用数控摆动、回转工作台， 则可进行五轴联动加工。这两台机床均用滑鞍和定长杆(每副定长杆 由二杆或三杆构成以增强刚性)代替可伸缩杆，而且定长杆一端的铰 支固定在滑鞍上，滑鞍则由滚珠丝杆驱动，从而便于机床厂用现成 工艺制造和装配。与纯并联机床相比，混联机床扩大了工具/工件的 位姿角，同时便于编程和对切削点的位置及速度进行运动学标定， 最终有利于提高机床的精度及刚度。 A32型机床目前只作为一种逻辑分类存在，实际上尚未发现有这样的产品例子出现。 ←图10 Linapod 混联机床(A33型) 三、五轴加工机床头摆动还是工作台摆动结构分析 模具行业五轴机床的应用越来越多。五轴机床的五个轴通常是由三个直线轴外加两个回转轴组成 的，其结构方式却有很大差别。不同的结构形式会使机床在刚性、动态性能和精度稳定性等方面产生一 些差异。头摆机床的旋转点和检测中心是位于主轴上的，如图 1 所示。而工作台摆动机床的旋转点和检 测中心位于机床的床身，图 2 所示。 7 ↑图 1 ：头摆机床和工作台摆动机床的旋转点和检测中心 ↑图2 ：头摆机床和摇篮式工作台摆动机床 的检测中心示意图 这里以两种机床旋转轴旋转 90°加工同一个零件上的空间垂直孔为例，说明两种机床的区别。 ←图3：此零件需要在两个相邻面上加工两个相互垂直的通孔 1. 机床主轴刚性比较 头摆机床在加工的过程中，由于主轴摆动，使得主轴的刚性相对差；而工作 台摆动机床，由于是工作台摆动，所以不会对主轴的刚性产生任何影响。 2. 机床加工的效率对比 由于旋转点的不同，刀尖实现同样的位移时，头摆机床的主轴需要摆动更大的角度（类似杠杆原理）， 所以加工同样的零件，头摆机床的效率更低。 3. 刀具长度对机床加工精度的影响 摆动误差=摆臂×摆角 对头摆机床来讲，刀具长度是摆臂的一部分。 也就是说，在头摆的情况下，刀具的长度影响摆臂长度，放大误差。即误差会随刀具的长度增长而 增大，如图 1 所示。而如图 2 所示，对于摇篮式工作台摆动机床，刀具长度与摆臂的长度无关。头摆机 床和摇篮式工作台摆动机床的加工误差与刀具长度的关系在图 4 和图 5 中可以得到很明显的展示。 ←图4 ：头摆机床中刀具长度与位置误差的关系 ←图 5：摇篮式工作台摆 动机床长度与位置误差 的关系 4. 随着摆动，两种机床 都会产生位置误差，但 是头摆机床还会产生KAIYUN网页 开云com形 状误差，而工作台摆动 则不会产生形状误差 头摆机床刀具旋 转，从而产生位置误差。与此同时，加工孔的进给方向和刀具的回转中心发生偏离，情况如图 6 所示， 所以加工孔产生位置误差的同时，还会产生形状误差，出现楔形孔。 8 ←图6：头摆机床在产生位置误差的同时会产生形状 误差 而工作台摆动机床的位置误差是由工作台摆动 造成，主轴的进给方向和刀具的旋转中心始终重合， 所以不会再附加产生形状误差。这是摇篮式工作台摆 动与头摆相比另一个明显的优势。 →图7：摇篮式工作台摆动机床不产生形状误差 5. 五轴加工大小范围的比较 随着头摆机床主轴的摆动，工件直径方向的加工范围将会缩小，也就是说，主轴摆动角度时会吃掉 行程，从而导致五轴加工所能加工最大工件的直径范围比其三轴加工时小；而工作台摆动机床的工作台 摆动，对工件水平方向的尺寸不会产生任何影响，从这个意义上讲，五轴加工和三轴加工时的工件大小 范围是相同的。但是五轴加工工件的最大范围还需考虑机床结构引起的干涉。根据五轴加工干涉示意图 来分析比较。通常情况下，同样的行程，采用摇篮式工作台摆动结构的机床五轴加工范围会比头摆式机 床更大。 结论 1、摇篮式的工作台摆动机床主轴的刚性好，加工效率高；刀具长度对加工精度不会产生影响；加 工不会产生形状误差；同样的行程，机床五轴加工范围会比头摆式机床更大。 2、头摆机床主轴的刚性相对较差，加工效率相对较低；加工精度会随刀具长度的增长而降低；加 工会产生形状误差；主轴摆动角度时会吃掉行程，从而导致能够加工的最大工件尺寸变小。 注意：1、工作台摆动机床由于需要克服工件自重的原因，如果工件很重，对夹具有更高的要求； 2、加工大型重型零件时机床无法实现工作台摆动。 四、五轴加工的应用 当采用五轴加工时，必须考虑尽可能用最短的切削刀具完成整个模具的加工，从而获得良好的表面 质量，避免返工，同时减少焊条的使用量，缩短 EDM （放电加工）的加工时间。 成功的五轴加工应用不仅仅是买到五轴加工中心和某些五轴 CAM 软件就行了，加工中心必须适合 加工模具，类似地， CAM 软件不仅要具有五轴功能，而且必须具有适合模具加工的功能。 使用短的切削刀具是五轴加工的主要特征。短刀具会明显地降低刀具偏差，从而获得良好的表面质 量，避免了返工，减少了焊条的使用量，缩短了 EDM 的加工时间。当考虑到五轴加工时，必须考虑利 用五轴加工模具的目标是：尽可能用最短的切削工具完成整个工件的加工，也包括减少编程、装夹和加 工时间却能得到更加完美的表面质量。 9 1、三轴和 3+2 轴加工 只要工件型腔不是很深（相对刀具直径而言），三轴刀具路径（2、3、5 ）就足够了。如果工件型腔很深 并有很窄的部位，使用纯粹的三轴刀具路径来完成整个精加工是不够 的。在这种情况下，差的表面质量和较长的加工时间随之而来。图 1 是三轴刀具路径的情况，这里，最短的刀具都长度必须很长，以期在 垂直的方向能够加工到工件的所有区域。 ← 图 1 三轴加工路径 采用较短的刀具时，主轴应倾斜，以保证工件的特殊区域也能被 加工到。3+2 轴加工通常被认为是设置一个对主轴的常量角度。复杂 工件可能要求许多个倾斜视图以覆盖整个工件，但这样会导致刀具路 径重叠，从而增加加工时间。 另外，所有的倾斜视图也很难准确结合，因而手工打磨的工作量 会增加，同时还极大地增多了进出动作，常常导致表面质量问题和更多的刀具运动。 最后，在这种方式下编程会产生相互干涉而且很费时，所 有视图的总和也常常不能覆 盖整个几何形状。图 2 示范了 四个工件视图，但工件中心仍 有一个区域未能覆盖到，这个 区域仍需要一个额外的倾斜 视图。 ←图2 3+2 轴刀具路径 →图3 五轴刀具路径 为了克服 3+2 轴加工的缺点，五轴联动加工可能是一个更好的选择，更何况有些五轴机床还具有一 些专门为模具工业设计的功能。五轴联动加工能协调三个直线轴和两个旋转轴使它们同时动作，解决了 三轴和 3+2 轴加工的所有问题，刀具可以非常短，不会产生视图重叠现象，遗漏加工区域的可能性更 小，加工可以连续进行而无须额外的导入导出(见图 3) 。 2、五轴铣削机床 五轴铣削机床具有多种不同的配置，比如： □ 通过旋转工作台可使工件具有两个自由度自由旋转，这种情况下主轴只能沿轴向移动。 □ 主轴安装方式可提供两个自由度，使铣刀旋转，这种情况下工件不能移动。 □ 系统可以是以上两种情况的组合—— 一个旋转轴是旋转工作台，另一个旋转轴由主轴充当。 一般来说，三轴铣床时需考虑几个不同的特征，如马力、主轴转速、轴向进给率、工作范围和重量 极限等。评估五轴机床时，除了这些，还必须考虑如下方面：重复定位精度、转速、角度极限、为五轴 加工所选的铣床控制系统及其他任选项。 1、重复定位精度 重复定位性是指五轴机床具有的能返回同一点并保持矢量一致性的能力。对五轴机床的重复定位精 度来说，不仅仅是轴向位置的精度，还有角度值。 2、转速 转速其实也意味着刀具相对与工件的旋转速度，这个值越快，机床切削地也越快。许多老式五轴机 10 床的转速较慢，当然达不到高性能加工的生产力要求。 转速对加工模具来说是一个重要的因素。许多五轴铣削机床带有一个 C 轴，缺省时绕 Z 轴旋转。 如果用短刀具铣削深槽工件，必须使刀具通过 A/B 轴倾斜并旋转 C 轴来绕工件切削，这种情况下，C 轴的转速性能是取得成功的关键。 3、角度极限 角度极限是铣床铣头所允许的旋转角度的物理极限，这些是以特殊机床的设计为基础的。假如需要 铣头倾斜 50°来使用最短的刀具或者是切削倒角，那么如果铣头只具备 30°的旋转极限，那当然不能完 成这次装夹工况下的加工任务了。 当考虑 C 轴时，角度极限显得非常重要，许多五轴铣削机床 C 轴的角度运动是不受限制的，当然 也有很多是有限制的。 例如，铣削可能仅能实现+360 °和 -360°的旋转，假设使用可倾斜的刀具加工立壁，刀具必须沿着 工件加工轨迹一圈一圈地运动。在这个例子中，主要的运动是由 C 轴连续运动产生的。假如有一个受 限的C 轴，那么它将要求机床以一定时间间隔来完成整个工件的加工。 4、工作环境 编程者也许已经对三轴的工作环境比较熟悉了，但对五轴加工，编程者仍必须重新考虑其工作环境。 当工件或主轴旋转时，实际的工作范围会变小吗？为了证实这个问题，可以把普通铣刀装夹在主轴上， 测量一下刀具立式方向上的工作范围，以及刀具倾斜到最大值时的工作范围。 不同的五轴机床使用不同的五轴控制器。某些控制器的最佳工作点是工件装夹的原点正好与旋转轴 的交点重合时，某些控制器则以相反方向进给时性能最佳。 许多带有逻辑控制功能的五轴控制器能准确地知道相对于工件的刀具原点在哪里，而与旋转多少次 无关。这种功能常常被称为“旋转刀具原点(RTCP)” 。很多用户发现先进的RTCP 功能使五轴应用更为简 单。 3、五轴 CAM 软件 采用了五轴加工之后，3+2 轴加工的问题也许并没有完全得到解决，编程的问题转化成了 CAM 系 统的问题，振动控制也成了最重要的被考虑事项。CAM 系统仅仅发现工件、刀具、锥柄之间的振动是 不够的，它必须还能自动消除这些振动，这样，CAM 编程者就不需要手动调整上千万个或者更多的数 据点的倾斜角度了。另外，CAM 系统的五轴自动编程可获得最优化的刀具应用，那就是最短的刀长（图 4 ）。 ←图4 直径较小的刀具正在铣削工件角落里的剩余材料，这得益于 五轴自动编程可获得最优化的结果，那就是最短的刀长 与特殊工件如涡轮叶片、机翼面和推进器的五轴功能不同，模具 制造者没有必要“垂直”切削 CAD 文件中所示的所有面，他们只须简单 地旋转足够的倾斜角以自动消除刀具、 锥柄和工件间的振动即可。图 5 显示了 自动刀柄振动消除和较多形式的切削方 式的组合使五轴模具加工具有更高的效 率和柔性。 →图 5 不仅仅是简单的锥柄振动检查， 自动刀柄振动消除对于深腔件的加工非 常需要， 尤其是高效加工，自动刀柄振动消除和较多形式的切削方式的组合使五 轴模具加工具有更高的效率和柔性 11 当评估用于加工模具的 CAM 软件时，尤其是对于深腔模具加工，有许多因素需要考虑，如五轴功 能的柔性、五轴切削路径的可靠性、易用性、五轴铣削机床的极限、不能用五轴的情况等。 1、柔性 在五轴铣削策略中，柔性是需要考虑的一个重要特征。如果用户正在使用一个带有多种策略的三轴 CAM 软件包，为什么还要考虑使用几个五轴策略呢？ 一个可以提供柔性的最新的途径是，模具制造、冲压工艺、刀具应用三个方面都使用能自动生成刀 具路径的 CAM 软件模块。简单说来，这个模块能自动地把三轴切削路径转化为五轴加工的路径，使旋 转刀具的倾斜角足以避免振动，这样也带来了更大的柔性，因为所有的三轴精加工路径都可以转化为五 轴环境使用。 2、可靠性 五轴加工刀具路径的可靠性非常重要，因为五轴中增加了两个旋转运动，振动的可能性大大增加， 因此振动检测和避免措施必须可靠，否则会导致昂贵设备的损坏。 3、易用性 易于使用和五轴编程曾经被认为是互相排斥的，五轴编程被认为是难点、费时且干涉情况很严重。 但要想保持竞争力，观念必须转变。如果在表面或实体模具加工中使用可自动生成刀具路径的 CAM 软 件，那么创建五轴刀具路径与创建三轴刀具路径一样简单，因为这样的 CAM 软件可以进行复杂深腔模 具工件的五轴编程，而且可以避免振动。 4、五轴设备的限制 五轴设备的限制可影响到怎样选择模具的五轴加工。CAM 软件必须能模拟具体的五轴设备并调整 刀具路径以避免运动到旋转极限。如果某一五轴设备在 C 轴有极限，CAM 软件必须能将间断的动作置 入刀具路径，同时保持无振动的刀具路径。 另外，许多五轴配置在其 A/B 轴上有不同的极限，比如某种机床可在 A 轴-90°旋转，但正向上只 允许+15°旋转，所以，可以理解 CAM 软件自动将该极限考虑在内以避免在正向超限。 5、不能使用五轴的情况 有些情况不宜采用五轴方案，比如刀具太短，或刀柄太大，使任何倾斜角的工况下都不能避免振动。 CAM 系统是否在此点停止？是否根本不能产生刀具路径？是否显示出了问题区域？ 如果有大量的试验和错误，或者重新计算整个刀具路径，这势必会对整个生产产生不利影响。最好 是 CAM 系统就能够找出问题区域，可使用较长的 刀具、较短的刀柄或简单地编辑出这些点。 图 6 显示了一些标记点的振动范围，随后这些振 动可以被自动消除（图 7 ），使工件的大部分仍可 用短刀具切削。 ↑图 6 标记点的振动被径向运动所替代 →图7 使用刀具自动防振装置可产生同步五轴刀具 路径，以尽可能短的刀具完整地铣削工件 结论 同步五轴刀具路径可利用短刀具加工整个工件，而无须用三轴环境下要求的长刀具。五轴加工能 减少焊条的使用量以及 EDM 加工的操作步骤。同步五轴加工可减少 3+2 轴加工存在的问题，比如创 建多个倾斜视图并合并所有倾斜视图。 12 五、五轴加工优点 1、五轴加工能够减少加工时间和夹具数量，提高生产效率。与多次装夹相比，五轴加工能通过一 次装夹加工复杂的形状。而且，多次装夹过程中极易在拆装工件时产生装夹误差。 2、五轴加工能够用较短的刀具进行加工。这是因为加工时摆头/转台可以缩短刀具和工件的距离 且刀具可以基于工件面移动。如此则无需加载更大的力给刀具就能达到更高的切削速度，提高刀具寿命、 减少刀具磨损。 3、五轴加工能提高加工精度，减少人工抛光的时间成本。与三轴加工相比，五轴加工允许使用较 短的刀具，在加工深孔或深腔时能够减少刀具的振动。 4、五轴加工对样件或小批量加工快速、经济。使用五轴加工的可以在立体毛坯上加工特别复杂的 曲面，无需使用特别铸造过的毛坯。无需2 个月或更长的时间来进行铸造和加工，只用 1 到 2 周便可完 成。 5、五轴加工可以节省大量的钻孔时间。相比加工复杂孔和型腔而言，钻孔看似细小，实际上，钻 大量的斜孔会浪费大量的时间。如果使用三轴机床进行钻斜孔，必须为每一个孔做不同的工装。采用五 轴加工，摆头/转台会准确的使刀具沿着每个斜孔的轴向更快完成钻孔操作。 六、五轴加工用途 五轴加工机一般用途包括如下内容： 1、离心式或轴流式压缩机叶片加工 2、大型深槽公母模加工（缩短刀长） 3、五轴复杂电极加工（提高精度） 4、小型模具清角加工（闪开 1 度的拔模角） 5、多面加工(提高精度、缩短制程及交期)等。 七、五轴加工数控系统 1. 海德汉 iTNC 530 2、发那科 31i MA5 3、MA5 4 、SmarT.NC 5、MAZATROL MATRIX 6、FANUC 18i 7、FIDIA C20 13 八、五轴加工机床型号 1、台湾崴立 天车型五轴加工中心 UG 系列： 规格/型号 单位 UG 550 UG 800 加工范围 X 轴行程 (左右) mm(in) 550 (21.7) 800 (31.5) Y 轴行程 (前後) mm(in) 700 (27.6) 950 (37.4) Z 轴行程 (上下) mm(in) 500 (19.7) 650 (25.6) A 轴旋转角度 degree +30/-120 +30/-120 C 轴旋转角度 degree 360 360 工作台规格 工作台直径 mm(in) Ø550 (21.7) Ø800 (31.5) 工作台荷重 kg(lb) 500 (1100) 900 (1980) 主轴规格 驱动形式 內藏式 主轴转速 rpm 14000 主轴馬力 (持续/30 分钟)kW(HP) 27/36 (37/49) 主轴錐孔 BT#40 进给系统 G00 快速进給 (X 轴) mm(in)/min 48000 (1889.8) G00 快速进給 (Y 轴) mm(in)/min 48000 (1889.8) G00 快速进給 (Z 轴) mm(in)/min 48000 (1889.8) 切削进給 mm(in)/min 1-10000 (0.04-393.7) A 轴转速 rpm 25 C 轴转速 rpm 100 刀库系统 刀库容量 pcs 30 (60 选购) 換刀方式 手臂式 最大刀径/無臨刀 mm(in) 90/130 (3.5/5.1) 最大刀長 mm(in) 300 (11.8) 最大刀重 kg(lb) 8 (17.6) 控制器与配件 海德汉 iTNC 530 / 发那科 31i 控制器 MA5 (选购) 鐵屑输送机 链式(标准) 机器尺寸 14 机器長度 mm(in) 4000 (157.5) 5000 (196.9) 机器寬度 mm(in) 3000 (118.1) 3000 (118.1) 机器高度 mm(in) 3500 (137.8) 3650 (143.7) 机器重量 kg(lb) 11000 (24200) 15000 (33000 2 、台湾亿铨机械（嘉兴）有限公司 SU64 主轴摆动式加工中心 SU85 主轴摆动式加工中心 項目 SU64 SU85 項目 SU64 SU85 760 x 450 工作台尺寸 930 x 500 mm 滚珠螺杆直径 32mm 40mm mm T 型槽尺寸( 宽*数18mm 滚珠螺杆螺距 18mm (0.71)x4 12mm/12mm/10mm 12mm/12mm/10mm 量) (0.71)x4 X,Y/Z 工作台最大载重(置 X,Y 轴快速进 350kgs(770lbs) 500kgs(1100lbs) 36M/min 30M/min 中) 给 X 轴行程 660mm 860mm Z 轴快速进给 30M/min 24M/min Y 轴行程 460mm 540mm 切销进给速率 10M/min 10M/min Armless type Armless type Z 轴行程 700mm 770mm 刀库类型 (Arm type is opt.) (Arm type is opt.) Tool 主轴鼻端至工作台 150-850mm 150-920mm storage capacit 16 tools 16 tools 面距离 y 主轴中心至立柱距 519mm 610mm 最大刀径 85mm 90mm 离 工作台面至地面高 - - 最大刀重 5kgs 8kgs 度 主轴转速 24,000 RPM 15,000 RPM 定位精度 ±0.005mm ( ±0.0002) ±0.005mm ( ±0.0002) 主轴转速#50 - - 重复定位精度 ±0.003mm ( ±0.0001) ±0.003mm ( ±0.0001) 主轴马力 4.6 kw 15 kw 冷却帮浦 - - 机器重量 主轴鼻锥 BT or CAT 40 BT or CAT 40 ( 实际重量以实3860kgs (8492 lbs) 6120kgs (13464 lbs) 机为准) 2100mm×2145mm×240 2510mm×2740mm×2845 主轴拉力 - - 机器尺寸 0mm mm 主轴皮带 - - 15 3、DW86 五轴综合加工中心 项目 规格 项目 规格 X 轴行程 800mm 载重 110kgs Y 轴行程 600mm T 型槽尺寸 18mm Z 轴行程 520mm 主轴鼻锥 CAT or BT40 工作台直径 500mm 主轴转速 15000rpm 倾斜轴 A 轴 主轴马达 11kw 角度 120°～ -30 ° 进几速度 26M/min 转动角度 8.33 rpm 切削速度 10M/min 剎车扭力 200kg －m 倒库类型 Armless 切削力度 150kg －m 刀具数量 30 tools 转动轴 C 轴 最大刀径 110mm 角度 360 ° 最大刀重 8kgs 转动速度 16.7 rpm 最大刀长 250mm 剎车扭力 150kg －m 机器尺寸 3800 ×2550 ×3200mm 切削力度 115kg －m 机器重量 12500kgs(27500 lbs) 4、波兰埃维亚 VAIRIO HS 5-AXIS 工作台工作台尺寸 400mmT 型槽：数量/宽度/间距 8pcs/12mm/45mm 工作台最大承重 600 kg 行程 X 轴 500 mmY 轴 600 mmZ 轴 460 mm 倾斜轴（A 轴）+95°/-95°倾斜轴（C 轴）n×360° 主轴距工作台面最小、最大距离 15/ 465 mm 主轴端到倾斜轴最小、最大距离 65/525 mm 工作台垂直至主轴最大距离 300 mm 主轴 AVIA 主轴不配最高主轴速度：10000rpm 最大功率 S1/S6 （25%）：10KW/17KW 最大扭矩 S1/S6 （25%）：57Nm/96Nm 主轴锥度：ISO40CYTEC 电动主轴可选配最高主轴速度：18000rpm 最大功率 S1/S6 （40%）：21kW/27kW 最大扭矩 S1/S6 （40%）：100Nm/129Nm 16 主轴锥度：HSK 63ACYTEC 电动主轴可选配最高主轴速度：24000rpm 最大功率 S1/S6 （40%）：34kW/43kW 最大扭矩 S1/S6 （40%）：72Nm/91Nm 主轴锥度：HSK 63AKESSLER 电动主轴可选配最高主轴速度：24000rpm 最大功率 S1/S6 （40%）：20kW/25kW 最大扭矩 S1/S6 （40%）：32Nm/40Nm 主 轴锥度：HSK 63A 刀库换刀刀库形式悬臂式 ATC 刀位容量 24 把 (可选 30 把) 换刀时间 2.8 秒 最大刀具直径 80 mm 最大刀具重量 7 kg 快速移动速度 X/Y/Z40/40/40 m/min 倾斜及回转国（A 和 C）最高转速 100rpm 数控系统 Heidenhain iTNC 530 SmarT.NC 配备定位精度+/- 0.005 mm 重复定位精度 0.005 mm 回转轴定位精度+/-2.5 秒. 机器外型尺寸 2360/2470/2850mm 电气总容量90 kVA 净重/毛重 5000/5300 kg 5、DMG DMU 50 eco DMU 50 eVo linear [产品说明] _ 动态数控回转摆动工作台，快移速度高，B 轴达 40 rpm， C 轴达 50 rpm （选配） _B 轴极大的摆动范围，加工摆角达 -18° _5 面 / 5 轴联动加工 _X 轴直线电机，功率大、精度高 _快移速度高，X 轴达 80 m/min，所有线 _快速双抓换刀机械可快速准确换刀，屑-屑换刀时间缩短到 5 秒以内 _大功率电机主轴，转速达 18,000 rpm _带 15” 液晶显示屏和 3D 工件仿线D 带 ShopMill 的 Siemens 840D powerline 的数控系统X 轴 直线电机数控技术 技术参数 DMU 50 eVo linear X/Y/Z 轴行程 mm 500/450/400 主轴功率 (40/100% DC) kW 35/25 转速范围 rpm. 18,000 (24,000/42,000)* 扭矩 (40/100% DC) Nm 130/87 工作轴，刀柄 SK40 直线轴 X/Y/Z 快移速度 m/min 80/50/50 17 刀库容量 刀位 30 (60/120)* 屑 - 屑换刀时间 s 5 带 15“ 液晶显示屏和 3D 软件的 DMG ControlPanel 控制面板 Siemens 840D powerline Heidenhain MillPlus IT Heidenhain iTNC 530 DMU 70 eVolution DMC 70 eVolution [产品说明] _高效：带动态数控回转摆动工作台的面至 5 轴联动加工 _加速度达 8 m/s2 所有直线 m/min _大功率主轴，转速达 18,000 rpm （标配） _选取式刀具交换装置，92 刀位，可快速实现刀具交换 _满足用户特殊要求的选配包，如：用于铝合金加工和石墨加工 _带 15” 液晶显示屏和 3D 软件的高科技数控系统 _带可在加工时工作的托盘交换器的五轴生产型 (DMC 70 eVolution 技术参数 DMU 70 eVolution DMC 70 eVolution X/Y/Z 轴 mm 750/600/520 750/600/520 主轴功率 (40/100% DC) kW 35/25 35/25 扭矩 (40/100% DC) Nm 130/87 130/87 转速范围 rpm. 18,000* 18,000* X/Y/Z 快移速度 m/min 50 50 刀具数量 32 (60/92)** 32 (60/92)** 线性轴/回转轴的直接位置测量系统 数控回转摆动工作台，装夹面积 mm 700 x 500 500 x 500 装夹重量 kg 350 250 带 15“ 液晶显示屏和 3D 软件的 DMG ControlPanel 控制面板 带 ShopMill 的 Siemens 840D powerline 的数控系统 Heidenhain MillPlus IT Heidenhain iTNC 530 18 6、HASS VR-11B 行程 S.A.E. 公制 X 120 3048 mm Y 40 1016 mm Z 30 762 mm A ± 32 degrees ± 32 degrees B ± 32 degrees ± 32 degrees 标准工作台 S.A.E. 公制 Length 120 3048 mm Width 28 711 mm Max Weight on Table 4000lb 1814 kg T-Slot Width 0.625 15.875 mm T-Slot Center Distance 4.92 125 mm 主轴 S.A.E. 公制 Taper CT-40 CT-40 Speed 7500rpm 7500 rpm Drive System 30hp 22.4 kw Vector Drive Max Torque 75ft-lb 102 Nm @ 1000 rpm Bearing Lube Air/Oil Injection Air/Oil Injection A 轴电机 S.A.E. 公制 Spindle Motor Max Rating 30 22.4 kw Hp Axis Motors Max Rating X 7.5hp 5.59 kw Axis Motors Max Rating Y 5.0hp 3.73 kw Axis Motors Max Rating Z 5.0hp

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