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全球五轴数控机床的发展趋势现状分享(二)

发布:2019-11-28 点击:1319

 

 

随着航空航天、模具和汽车等工业的发展,产品零件的结构和形状越来越复杂,精度要求越来越高,对五轴加工机床的需求日益增长。五轴加工机床是指具有3个数控直线移动轴和2个数控回转轴的机床。五轴加工机床的配置多种多样,配置各异。从运动设计的角度,假定传动链从工件开始到刀具,直线运动以L表示,回转运动以R表示,具有3个移动轴和2个回转轴的五轴加工中心的运动组合共有7种:
  
  RRLLL、LRRLL、LLRRL、LLLRR、RLRLL、RLLRL和RLLLR。其中最常见的运动组合有3种:LLLRR、RRLLL和RLLLR。
  

  

  图1a所示是动梁式龙门加工中心,其运动组合为LLLRR。工件安装在固定工作台上不动,横梁在左右两侧立柱顶部的滑座上移动(Y轴),主轴滑座沿横梁运动(X轴),主轴滑枕上下移动(Z轴),双摆铣头作A轴和C轴偏转。
  
  图1b是立式加工中心,其运动组合为RRLLL。工件固定在A轴和C轴双摆工作台上,横梁沿左右两侧立柱移动(X轴),主轴滑座沿Y轴移动,主轴滑枕沿Z轴上下移动。
  
  图1c也是立式加工中心,但其运动组合为RLLLR。工件固定在C轴回转工作台上,工作台沿X轴移动。主轴滑座沿Y轴和Z轴移动,万能铣头可作B轴回转。
  
  每种运动组合可有不同的结构配置方案。例如,动梁龙门式机床和动柱龙门式机床都属于LLLRR运动组合,车铣复合加工和铣车复合加工大多属于RLLLR运动组合,而RRLLL运动组合可包括A/C轴和B/C轴双摆工作台。
  
  具有双摆工作台的4种不同工作台布局的五轴加工中心如图2所示。
  

 

  
  综上所述,随着应用领域、加工零件的形状、尺寸和精度要求不同,五轴加工机床具有多种多样的结构和配置方案。
  
  典型案例分析

 2.西田YMC430-II精密加工中心
  
  日本西田(Yasda)公司的YMC430-II精密加工中心主要用于加工微小的高精度零件,在结构设计上特别注意提高刚度和减少热变形的影响,其总体结构配置如图5所示。
  

  
  从图中可见,横截面呈H形的、左右前后4个方向都对称和断面系数大的整体龙门式双立柱,保证了机床结构的高刚度、高精度和热稳定性。主轴滑座和主轴部件位于H形立柱的正前方,具有重量平衡系统,以保证Z轴移动的精度,结构对称,基本上抵消热变形所引起的刀具中心点相对工作台的偏移量。
  
  YMC430-II加工中心的X、Y、Z轴皆由相互对称配置2个直线电动机驱动,行程范围分别为420mm、300mm和250mm,快速进给20m/min,采用高刚度和高精度的线性导轨(小直径滚珠、8滚道循环、加长型滑块)导向,以提高移动精度和刚性,简化机械结构,避免反向背隙,保证机床的动态性能。
  
  主轴转速范围200~400r/min,在主轴滑座下方配置有盘式刀库,标配容量32把刀,刀具最大直径f50mm,刀具最大长度120mm,刀具最大重量500g。
  
  该机床的平移工作台面积为600mm×350mm,其上安装R10型双摆工作台,B轴摆动范围-10°/ 100°,C轴360°回转,从而构成五轴联动加工机床,最大加工直径250mm。主轴的定位精度在全行程范围内的实际测量值分别为0.508μm、0.356μm和0.316μm,X-Y运动轴的圆度为0.60μm。B、C回转轴的双向定位精度分别为0.95sec和1.19sec。在加工圆锥表面时圆度为1.24μm,皆明显高于同类机床。
  
  完善的热管理系统是YMC430-II机床的最大特点之一,是保证机床高精度的关键。机床的冷却部位循环原理如图6所示。
  


  

  从图中可见,机床在6个部位配置循环液冷却系统:①立柱的内冷却。②主轴头的内冷却。③主轴滑座的内冷却。④X轴直线电动机的冷却。⑤Y轴直线电动机的冷却。⑥Z轴直线电动机的冷却。制冷装置输出温度较低的冷却液进入各冷却部位,将热量带出,温度较高的冷却液再回到热交换器中再度进行制冷。


  
  1.哈默C52加工中心
  
  德国哈默(Hermle)公司的C52加工中心是摇篮式双摆工作台五轴加工机床,适用于航空航天、模具制造、能源和半导体工业,其外观和主要技术规格如图3所示。
  

  

  从图中可见,摇篮式双摆工作台采用纵向布局,回转工作台直径为f1000mm,由力矩电动机直接驱动,结构紧凑,最高转速为500r/min。摇篮采用伺服电动机和无背隙齿轮传动,摆动范围为+100°/-130°,可以进行五轴联动的立/卧式车削加工或五轴联动铣削加工和5面铣削加工。车削时工作台最大载荷为1000kg,铣削时工作台最大载荷为2000kg,可以从机床上方装卸较重的大型工件。
  
  为了提高机床的动态性能,哈默公司研发了独特的总体结构配置:移动部件轻量化。框架式主轴十字滑座在高台式床身的顶部,完成X-Y方向移动,主轴滑枕作Z轴垂直方向移动,采用盘式刀库,如图4所示。
  

  

  1.线性导轨2.刀库3.滚珠丝杠4.伺服驱动5.双摆工作台
  
  从图中可见,主轴下层滑座由安装在床身左右两侧壁上的伺服电动机和滚珠丝杠沿3根线性导轨移动,以实现重心驱动,避免移动过程的偏斜,提高了机床的工作精度。
  
  哈默C52加工中心在车铣复合加工时采用海德汉640数控系统,包括提高动态效率的主动颤振控制、自适应进给控制和提高动态加工精度的主动振动阻尼、载荷自适应控制等智能模块。
3.米克朗HSM600ULP高速加工中心

  
  GF加工方案集团旗下的米克朗公司生产多种型号的高速(HSM)、高性能(HPM)和高效率(HEM)加工中心。其中HSM600ULP加工中心是在原有HSM系列的基础上改进设计而成,工作台直径600mm,最大载荷120kg,适合模具制造和其他中小批量精密制造企业加工高精度和高表面质量的零件,机床的外观和结构如图7所示。
  


  

  从图中可见,该机床的3个移动轴X、Y、Z和2个回转轴B、C皆采用直接驱动方式。机床的床身、立柱和横梁为一个整体封闭结构,上窄下宽,呈金字塔形,采用矿物铸件(树脂混凝土),具有良好的阻尼特性,保证了机床的刚度和稳定性。中间有O形孔道,以便与托板交换装置或刀库联结。线性导轨布置在直线电动机的两侧,使两线性导轨之间的有较大的距离,驱动力尽可能在移动部件的重心。
  
  机床采用STEPTEC智能电主轴,最高转速30000/36000/42000r/min可选。其intelliSTEP智能化系统可以控制和优化电主轴的工况。例如,主轴端轴向位移、温度、振动和刀具拉杆位置等,预测主轴在不同工况下的工作寿命。
  
  该机床的另一重要特点是“聪明机床”软件。包括机床保护、提高加工精度和提高生产力3个方面。例如,智能温度控制、操作支持系统、高级加工过程和远距短信通知等。

 

 

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