五轴联动加工中心通过数控系统同时控制不同的运动轴进行工作,可以在联动状态下加工多种复杂的曲面结构[4]。在不同的装备制造业领域有广泛的应用,对汽轮机以及航空航天制造业的发展起到了至关重要的作用。常见的五轴联动加工中心大多采用“3+2”结构,即X、Y、Z三个直线轴加上分别绕X、Y、Z轴旋转的A、B、C三个旋转轴中的两个组成[5],因此五轴联动加工中心有X、Y、Z、A、B,X、Y、Z、A、C和X、Y、Z、B、C三种形式。根据两个旋转轴不同的组合进行划分,五轴加工中心主要有双转台式、双摆头式、一摆一转三种结构型式[6],三种结构对比见表1。
2.1 双转台结构的五轴联动加工中心
双转台结构五轴联动加工中心如图1所示,通常采用A轴+C轴结构型式。在床身上安装的工作台能够绕X轴进行回转,将该轴定义为A轴,其工作角度通常为30°~120°。工作台中另设有一个可绕Z轴旋转的回转台,该轴定义为C轴,可实现360°无级连续回转。通过A轴与C轴的联动配合,工件装夹在工作台上后,除底面之外的其他五个面均可由立式主轴完成加工。
[图1 双转台结构五轴联动加工中心]
表1 五轴加工中心布局类型与特点
结构类型 | 适用工件 | 优势 | 不足 |
|---|---|---|---|
双转台结构 | 中小型复杂零件 | 多面加工效率高 | 工作台结构复杂,承载上限低 |
双摆头结构 | 小型内腔、深孔类零件 | 刀具摆动灵活,多角度成形 | 摆头集成难度高,整机刚性偏弱 |
一摆一转结构 | 各类长短叶片 | 兼顾加工灵活度与整机刚性 | 摆头、回转工作台匹配设计要求严苛 |
2.2 双摆头结构的五轴联动加工中心
在双摆头结构中,主轴能够绕X轴和Z轴进行摆动,其中绕X轴摆动的为A轴,绕Z轴摆动的为C轴。再配合X、Y、Z三个直线轴,共同形成五轴联动加工中心,其结构如图2所示。这种布局使刀具摆动更为灵活,尤其适合加工带有内腔、深孔等特征的零件,对小型精密零件的细微区域加工非常有利。但受限于摆头内部结构复杂、装配难度大,整机的加工精度在很大程度上取决于摆头自身的制造与装配水平。
[图2 双摆头结构五轴联动加工中心]
2.3 一摆一转结构的五轴联动加工中心
一摆一转结构形式中,A轴、B轴、C轴均可作为机床的回转工作台或摆动主轴使用,如图3所示。
因此转台加摆头结构的五轴联动机床能够灵活组合不同轴系,以适配各类加工需求。该结构的优势在于主轴加工自由度高,同时可通过加大工作台面积,实现大型复杂零部件的加工。传统五轴加工中心依靠底部工作台带动工件旋转来实现加工,但这种方式并不适用于长叶片。为此,设计一种新的叶片五轴加工中心结构势在必行。
[图3 一摆一转结构五轴联动加工中心]
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