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五軸一體式轉台立式（shì）加工中心設計要點（diǎn）分析

2022-5-7 來源：寶雞機床集團有（yǒu）限公司作者：羅海軍，賈銀濤

摘要: 針（zhēn）對用戶零件工況及機床最大軸向抗（kàng）力計（jì）算，提出利（lì）用三維仿真模擬對五軸立式加工中心進行變形量分析，確定出了整機為五軸（zhóu）一體式轉（zhuǎn）台結構，有效的提高了（le） Z 軸空間，使得整機具有良（liáng）好（hǎo）的剛性。重點對（duì）機床夾具、一體式轉台、光機部件（jiàn）進行（háng）了結構要點分析，結合對轉台裝配過程中技巧方法的論述，力求對同（tóng）類機床的設計與製造提供借鑒與幫助。

關鍵詞: 最大切削（xuē）力; 三維仿真模擬; 變形量; 五軸一體式轉台

0 引言

五軸加工中心被認為是汽車、航空、精密儀器行業加工關（guān）鍵部件的最重要加工設備（bèi），作為應用範圍最廣的數控機床（chuáng）技術，五（wǔ）軸加工（gōng）中心在（zài）加工（gōng）方麵有著其不可替代的優點，高端五軸加工技術是我國機床行業（yè）的短板，從整（zhěng）體來看國內五軸加工機床（chuáng）市場完全（quán）被國外市場壟斷。要早日實現五軸加工（gōng）機床從低端到高端再到高精尖產（chǎn）品的轉變，必須以市場為導向，緊抓（zhuā）技術升級，促進五軸機（jī）床產業化整（zhěng）體升（shēng）級，因此研發一款高性能的五軸加工中心十分（fèn）必要。五軸加工中（zhōng）心一般分（fèn）為擺頭式（shì）和搖（yáo）籃式( 雙轉工作台) ，搖籃（lán）式適用於（yú）輕型（xíng）零件，主軸隻做直線軸運動，結構簡單（dān）可靠，主軸剛性及（jí）精度也（yě）會更好［1］，結合用戶（hù）合作單位的汽車類輕型零件加工，筆者對五軸立式加工中心設計過程中（zhōng）的技術要點進行分析，選定整體結構為 3+2 搖（yáo）籃式結構，為其後續的改進、批量生產提供理論依（yī）據。

1、用戶零件工況分析及整機（jī）結（jié）構的確定

1．1 用戶零件加工內容及計（jì）算

用戶（hù）工件如圖 1 為本次（cì）專項牽頭單位典型產品，機床（chuáng）設計完成後，需完（wán）成該零件的多工序加工，零件材料（liào）為 QT400－15 ，硬度為 HB = 130－180，鑽 Ф13．15鎖銷孔及銑外側麵 Ф22 平台，以及割寬度 10 mm 的減振器槽。

刀具選用硬質合金切槽刀直徑 d0 = 125 mm，主（zhǔ）軸轉 n = 600 r/min，進給量 fz = 0．035 mm /z，背（bèi）吃刀量ap = 10 mm，側吃刀量 ae = 25 mm，刀具齒數 z = 6，計算出主軸係統所需功率［2］。

圖 1 用戶（hù）工件

1．2 五軸加工中心設計功率及最大切削力的確定（dìng）

加工工件材料為 45 鋼，刀具選用硬質合金立銑刀直徑 d0 = 25 mm，主軸轉 n = 1 600 r/min，進給量 fz= 0．12 mm /z，背吃刀量 ap = 8 mm，側吃刀量 ae = 25mm，刀具齒數 z = 5，計算出主軸係統所（suǒ）需功率:

根據以上典型工況的計算，確定出本次機床的最大設計功率（lǜ）為 11 kW 和最大設計扭矩值為 75 N·M，主軸電（diàn）機選用 FAUNC βiI 12 /12000。選取一款整體式主軸最高轉速（sù）為 12 000 r/min，最大扭矩（jǔ）為105N，最大輸出功（gōng）率 15 kW，這些都滿（mǎn）足於用（yòng）戶零件的加工要求（qiú）。

1．3 整機的應力分析及整體（tǐ）結構確定

立銑刀在銑槽時，主軸係統所受軸向抗（kàng）力是造成主軸箱變型的重要因（yīn）素如（rú）圖 1 所示，以（yǐ）上述大切削力銑槽工況中所計（jì）算出的切（qiē）削力 Fz = 4 725 N 為算例，根據公式 F0≈( 0．5 ～ 0．55) Fz，可計算出銑（xǐ）削時（shí）的軸向抗力 F0≈2 500 N。

如圖 2 所示機床采用的是傳統的（de） 3+2 模式，工作台和五軸轉台是通過過渡（dù）板連接，轉台和機床為分（fèn）體式結構，這時立柱頂麵距底麵為 2 900 mm，受到（dào） 2500 N 的軸向抗力時，通過 Solidwords Simulation 分析其變（biàn）型（xíng）量最大為 0．015 7 mm。

主（zhǔ）軸（zhóu）係統在受同樣的（de）軸向抗力時，通（tōng）過優化五軸轉台結構，使得工作台和五軸轉台設計（jì）為一體式結構（gòu），這時（shí）機床結構更（gèng）緊湊，穩定性更好（hǎo），立柱頂麵距底麵降低為（wéi） 2 700 mm，如圖 3 所示其變型量最大為 0．010 5 mm，變型量有了明顯的下降，整體剛性有（yǒu）了顯

著提高。

圖 2 傳（chuán）統工作台與轉台分體式圖 3 五軸（zhóu）一體式轉台立

五（wǔ）軸加工中心變型量加（jiā）工中心變（biàn）型量

2、機床核心部件結構設計分析

2．1 機（jī）床夾具（jù）設計

如圖 4 夾具結（jié）構所示夾具本體 1 通過 T 型槽塊2 與五（wǔ）軸一體式轉台固定，用戶工件 3 通過（guò）一麵兩銷進行定位，夾緊油缸 4 負責對工件提供夾緊力（lì），輔助支撐油缸 5 對工件提供側向支撐力防止工件變形。液壓油通過夾具本體裏預留的油路，為所有液壓缸提供動力，液壓油管 6 接入五軸轉台盤（pán）麵裏的油路分配器，油路（lù）分配器又與外置（zhì）液壓站相（xiàng）連接，液壓（yā）站最（zuì）高壓力 20 MPa，具有（yǒu）保壓和卸壓報警功能，配五路電磁（cí）其中四路為單路電磁閥僅為夾具提（tí）供輔助支承及轉台鎖緊動力，剩餘一路電磁閥為一進一出回（huí）路（lù）係統，驅動夾具上液壓夾緊缸夾緊和鬆開。

圖4 夾具結構圖

1．夾具本體 2．T 型槽塊（kuài） 3．用戶工件（jiàn） 4．夾緊油（yóu）缸5．輔助支撐油缸 6．液壓（yā）油管

2．2 五軸（zhóu）一體式轉台結構及（jí）裝配要點分析

如圖 5 數控搖籃一（yī）體式回轉工作台為該機床的核心（xīn）部件，可實現 A 軸±110°擺動，C 軸 360°回轉，轉台（tái）盤麵 1 為直徑 400 mm 帶（dài） T 型槽圓（yuán）形工作台，夾具油路與（yǔ）盤麵中心分配（pèi）器（qì）連接，為壓緊工件提（tí）供動力，結構美觀、可靠。通過（guò）將機床工作台 3 和搖籃轉台 2 設計為（wéi）一體，提高了 Z 軸空間的（de）利用率（lǜ），降低了立柱的高（gāo）度，使得機床具有良（liáng）好的剛性，工作台底部為兩組六滑（huá）塊滾柱（zhù）線軌結構，為工作台提供了恒久的支撐力（lì）。導軌防護 4 為工作台線（xiàn）性導軌及滑塊提供良好（hǎo）的保護，避免切削液汙染導軌。

圖5 一（yī）體式轉台（tái）結構圖

1．轉台盤麵 2．搖籃（lán）式轉台（tái） 3．機床工作台 4．導軌（guǐ）護罩

在實際裝配過（guò）程中必須保證一體式轉台 6 個滑塊安裝麵的等（děng）高度在 0．02 mm 以（yǐ）內，為了消除底麵的加工誤差，必要（yào）時需對底麵進行刮（guā）研，由（yóu）於（yú）一體式轉台外形不規則並且較重，不容易進行翻轉，通過計算確定（dìng）出轉台重心位置，如圖 6 所示把刮研支架固定在轉台頂部，利（lì）用轉動工（gōng）裝對其進行翻轉，使滑塊安裝麵（miàn）朝（cháo）上，方便進行修配。通（tōng）過對底（dǐ）麵進行刮研，保證一體式（shì）轉台底麵與線軌的六個滑塊（kuài）保持良好接觸，最後（hòu）利用三組壓塊（kuài）對滑塊側（cè）母線進行定位。

圖 6 一體轉台刮研示意圖

1．刮研支架 2．壓塊 3．轉動工裝 4．滑塊

作為測（cè）量與反饋元件的圓（yuán）光柵，是數控轉台保證回轉精度的重要元器件，它的裝配精度直接（jiē）影響轉台的定位精度和重複定位精度［3］，本次圓（yuán）光柵安裝充分保（bǎo）證了安裝後的同軸和垂直度要求，圓光柵動、定部分的間隙嚴格控製在 0．2 mm，A /C 軸加裝了高精度圓光柵後，按照五軸聯動立（lì）式加工中（zhōng）心（xīn）檢驗標準［4］，實際測得兩回轉軸定位精度≤0．016，重複（fù）定位精（jīng）度≤0．008，優於國家標準，順利的通過專項驗收。

3、五軸（zhóu）立式加（jiā）工中心光機部件結構解析

如（rú）圖 7 機床整體為 C 形結（jié）構（gòu），采用鏈（liàn）條式配重 1平衡方式，立柱 2 采用人字（zì）型（xíng）結構，配合大跨距淬硬導軌，貼塑（sù）、刮研工藝，使摩擦阻力小，精度保持（chí）性長久。

圖7 五軸立式加（jiā）工（gōng）中心光機結構

1．鏈條（tiáo）式配重 2．立柱 3．五軸一體式轉台 4．底座 5．C3 級絲杠 6．滑台 7．主軸箱 8．定量式分（fèn）油器

五軸一體式轉台 3 具備 A、C 軸複合功能，適（shì）合加工汽車行（háng）業複雜曲麵零件。X、Y、Z 軸均采用高精（jīng）度 C3 級絲杠 5 與大扭矩交流伺服電機直接傳動，實現高動態特性，適宜於（yú）工件高速切削（xuē）; 底座 4 上（shàng）四條重載高精度線軌（guǐ）與滑台連接，保證整機的位置精度能達到了精（jīng）密機床的標準。滑台 6 采用（yòng）導軌內嵌式結構，降低了工作麵到地麵的高度，有利於人工操作上下料並且整機剛性更好，有（yǒu）效的提高了 Z 軸的加工空間和範圍。主軸箱 7 采用油冷（lěng）卻方式，熱穩定（dìng）性好、精度保持性高。機床選（xuǎn）用 12 000 r/min 高速主電機與主軸連接，主軸運轉平（píng）穩，可靠。導軌、滾珠絲杠副均采用集中自動稀油潤滑，各個節點配有定量（liàng）式分油器 8，定（dìng）時定量向各潤滑部位注油，保證各滾、滑動麵均勻潤滑，有效的減小摩擦阻力，提高了運動精度，保證了滾珠絲杠副和導軌的使用壽命。

4、樣機可靠性驗證與設計應用

8 台 VM1270L 五軸立式加工中心（xīn）如圖 8 樣機試製完成（chéng）後，對其進行了負荷試驗，在機床恒功率區範圍內選取主軸轉速（sù） n = 1 600 r/min ，采用直徑 d0 = 25mm 四齒硬質合金鋼端銑刀進行銑削試（shì）驗，通過改變進給速度或切削深度，使機床達到設計最大功率 11kW，此次試驗過程中樣機工作正常、可（kě）靠。

根據五軸聯動立式（shì）加工中心技術條件和精度檢驗標準對樣機進行了大量（liàng）切削和精度檢測試驗，各（gè）項位置精度、幾何（hé）精度及加工精度都優於國家標準。機床已（yǐ）在（zài）用戶處加工轉向節等汽車類（lèi）典型（xíng）零部件，使用（yòng）效果良好，並且已經順利通過國家專項驗（yàn）收。

圖 8 樣機實物

5 、結語

汽車行業轉向節（jiē）、渦輪增壓等技術的迅速發展和（hé）廣泛應用，會帶動大量適用複雜零件加工的五軸聯動機床（chuáng）的（de）需求，同（tóng）時也為（wéi）國內機床製造企業提供了機遇。本文通過介紹一款具備（bèi） A、C 軸複合功能（néng），可實現一次裝夾（jiá）完成複雜曲麵零件加工的五軸立式加（jiā）工中心，經過對該產品重要部（bù）件及五軸一（yī）體式轉台的技術要求點（diǎn）分析，結合樣機試（shì）製完成後（hòu）的大量實驗數（shù）據，得出（chū）該產品是一款精度高，效率高，可顯著提高機械行業（yè）的（de）生產效率、自動化水平（píng）的設備，力求對同類（lèi）機床的設計與製造提供（gòng）借鑒與幫助。

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