五轴加工中心论文

机械工程领域工程实践问题案例分析

学院：机械工程学院

专业班级：机械工程1705班

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高速精密五轴联动加工中心结构设计及性能研究五轴联动加工中心是复杂平滑曲面加工的重要手段,也是汽车、模具、航空航天业精密复杂零件加工的重要设备。它代表着机床制造业先进技术集成的方向,西方工业发达国家一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资,实行出口许

可证制度,并对于用于军事领域的五轴联动加工中心实行禁运,所以自行开发精密五轴联动加工中心对我国的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等行业的发展有着重要的理论意义和应用价值。为此,宁江机床集团在国家对技术创新项目的支持下,组织技术力量,进行了研发精密高速五轴联动加工中心的相关设计技术攻关,论文研究的就是其重要的组成部分。

关键词五轴联动加工中心、结构设计、性能分析

第一章现状及意义

1.1国内外五轴联动加工中心的发展现状

五轴联动加工中心与五面加工中心经常被混为一谈,但实际上它们是不同的

产品,它们都能在一次装夹后完成除装夹面之外其它面的加工内容,但对于五轴联动加工中心,确切地应称为五坐标联动加工中心,机床的五个坐标轴可以实现联动,从而满足空间曲面及任意轮廓的加工,使工件在一次装夹后能完成大量的加工工序,保证零件的各方面的精度要求此外,由于加工工艺的发展,特别是航空领域加

工工艺的要求,如航空航天领域所谓的“薄壁掏空”工艺,对五轴联动加工中心提出多轴联动的同时,还要求机床主轴有较高的转速,因而在五轴联动加工中心上还应用了诸如高速主轴、高速控制系统、先进刀具技术等,使其成为一种多方面高技术集成的产品。世界上第一台加工中心出现于年,五轴联动机床在上世纪年代开始出现,当时发生的“东芝事件”,即东芝公司卖给前苏联的是一台四轴联动的铣床,当时四轴联动以上的机床是“巴统”禁止对社会主义国家提供的。

在上世纪八十年代,由于世界经济的快速增长,使国外机床行业对机床产品的市场需求相当乐观,因而把相当的精力放到了工业自动化的研究上,当时的热点是,柔性加工中心、柔性制造系统等,而对五面加工中心的研究开发不够重视。而真正的五面加工中心的研制开始于八十年代末,在国外形成规模是在九十年代中期,同

期年也出现了高速加工中心和五轴联动加工中心。出现了以瑞士威力铭工、米克

郎工,德国德马吉为代表的生产厂家,先后开发了不同规格、不同结构形式的五轴

联动加工中心,各具特色。从国外五轴联动加工机床的发展看,机床不再单纯是一

台加工设备,而是工厂自动化生产系统的组成单元。市场对五轴联动加工机床的要求越来越高,己经出现与传统机床完全不同的特征和机构。概要地说,就是通过各种技术全面集成,大幅度提高生产率。主要体现在以下几个方面高速化就现在而言,只要说到加工中心,机床主轴转速一般都在以上。由于高速电主轴的普遍应用,主

轴转速也进一步提高,有的高达一,快移速度也由于直线电机的采用而提高到以上,很多机床的直线运动加速度达到一,少数可达以上。米克郎公司的高速加工中心,

可进行高速轴联动加工。液体冷却的主轴电机由陶瓷轴承支承,转速高达、并有整体式托盘架和托盘交换装置。

目前一般加工中心的定位精度,精密级的精度。公司的一型高精度轴高速加工中心,带一个倾斜转台,所有坐标的直线运动定位精度,轴、轴的回转精度,主轴转

速号锥度至号锥度,主要用途是取消铸造而直接由实体坯料加工出形状复杂的箱

体件。国内最先研制出五轴联动加工中心是在年,代表作是当时江苏常州机床总厂现多棱集团开发出了一台定梁龙门式五轴联动加工中心,国内五轴联动加工中心

能够开发成功关键在于国内对计算机技术的掌握己经达到了较高程度,主要是基

于的数控系统的发展。目前国内的五轴联动加工中心的生产厂家主要有常州机床

厂多棱集团、桂林机床股份有限公司、北京第一机床厂、北京机电研究院〔`,其

中前三家的产品主要是龙门式五轴联动数控铣床,北京市机电研究院的产品是立

式结构的五轴联动加工中心。

1.2五轴联动加工中心市场需求和开发意义

五轴联动加工中心主要用于有空间曲面的中小型壳体、箱体类零件的加工,加工的典型零件有叶片、叶轮、模具轮廓等,最典型的零件是蜗轮叶片的加工。应用的领域包括航空航天、军工、模具制造,甚至到一般机械加工。在目前国家大力发展航空、航天、军工产业的情况下,有较好的市场前景。国家在十五规划中把五面加工和五轴联动加工中心列为重点发展产品,并预计这类产品的年需求量在“十五”末期将达到台年。大规格的产品主要采用龙门式结构,需求量最大的是中等规格产

品。由此可以推断中小规格的五轴联动加工中心年需求量可以达到台年左右,估计“十五”初期的年需求量在台年左右,并将以较快的速度增长。就于国内的五轴加工机床的开发而言,五轴联动加工中心在国内也己经有了很好的开发,但都以大型、普通精密级的产品为主。品种上,己经拥有立式、卧式、龙门式和落地式的加工中心,以适应大小不同尺寸的复杂零件的加工,还有五轴联动铣床和大型幢铣床以及

车铣中心等,这基本涵盖了国内市场的需求。在产品销售方面江苏多棱、济南二机、北京机电研究院、桂林机床、北京一机等企业产品,己获得国内市场的认同。但从精度上和五轴数控技术的开发上与国外先进水平还存在很大差距。特别是高精度、中等规格的五轴联动加工中心产品国内厂家开发较少,有些是受技术水平的限制,

缺乏生产精密级机床产品的经验有些是对五轴数控技术的掌握上仍然存在差距。

目前国内生产中等规格产品只有北京机电研究院和北京第一机床厂,并且也只能

生产普通精密级的。由此可见,高精密、中等规格的五轴联动加工中心是国内该类机床的开发盲点。

第二章五轴联动加工中心结构设计及性能分析

2.1五轴联动加工中心总体布局设计

设计机床的第一步,是确定总体方案。机床是由部件装配而成的,每个部件在

机床中占有一定的位置。选择机床的形式,分配运动以及安排各部件等在整台机床中的位置,即机床的总体布局王。机床的总体布局是保证实现机床工艺方案的基础,也是部件和零件的设计依据,对整个机床设计的影响较大。合理的机床总体布局应满足

（1）保证刀具和工件间的相对位置和相对运动

（2）足够的刚性,抗振性

（3）便于操作、维修、排屑等

（4）材料消耗低,占地面积小

（5）造型美观。

机床总体布局设计的一般步骤是,先根据工艺分析,分配机床部件的运动,不