五軸加工中心論文

1、機(jī)械工程領(lǐng)域工程實(shí)踐問(wèn)題案例分析學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè) 班 級(jí)： 機(jī)械工程1705班學(xué) 號(hào)： 201731001學(xué) 生 姓 名： 郭光雨指 導(dǎo) 教 師： 鄭鵬高速精密五軸聯(lián)動(dòng)加工中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能研究五軸聯(lián)動(dòng)加工中心是復(fù)雜平滑曲面加工的重要手段,也是汽車、模具、航空航天業(yè)精密復(fù)雜零件加工的重要設(shè)備。它代表著機(jī)床制造業(yè)先進(jìn)技術(shù)集成的方向,西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家一直把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資,實(shí)行出口許可證制度,并對(duì)于用于軍事領(lǐng)域的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心實(shí)行禁運(yùn),所以自行開發(fā)精密五軸聯(lián)動(dòng)加工中心對(duì)我國(guó)的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)的發(fā)展有著重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

2、為此,寧江機(jī)床集團(tuán)在國(guó)家對(duì)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目的支持下,組織技術(shù)力量,進(jìn)行了研發(fā)精密高速五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)攻關(guān),論文研究的就是其重要的組成部分。關(guān)鍵詞 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能分析第一章 現(xiàn)狀及意義1.1國(guó)內(nèi)外五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的發(fā)展現(xiàn)狀五軸聯(lián)動(dòng)加工中心與五面加工中心經(jīng)常被混為一談,但實(shí)際上它們是不同的產(chǎn)品,它們都能在一次裝夾后完成除裝夾面之外其它面的加工內(nèi)容,但對(duì)于五軸聯(lián)動(dòng)加工中心,確切地應(yīng)稱為五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工中心,機(jī)床的五個(gè)坐標(biāo)軸可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng),從而滿足空間曲面及任意輪廓的加工,使工件在一次裝夾后能完成大量的加工工序,保證零件的各方面的精度要求此外,由于加工工藝的發(fā)展,特別是航空領(lǐng)域

3、加工工藝的要求,如航空航天領(lǐng)域所謂的“薄壁掏空”工藝,對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心提出多軸聯(lián)動(dòng)的同時(shí),還要求機(jī)床主軸有較高的轉(zhuǎn)速,因而在五軸聯(lián)動(dòng)加工中心上還應(yīng)用了諸如高速主軸、高速控制系統(tǒng)、先進(jìn)刀具技術(shù)等,使其成為一種多方面高技術(shù)集成的產(chǎn)品。世界上第一臺(tái)加工中心出現(xiàn)于年,五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床在上世紀(jì)年代開始出現(xiàn),當(dāng)時(shí)發(fā)生的“東芝事件”,即東芝公司賣給前蘇聯(lián)的是一臺(tái)四軸聯(lián)動(dòng)的銑床,當(dāng)時(shí)四軸聯(lián)動(dòng)以上的機(jī)床是“巴統(tǒng)”禁止對(duì)社會(huì)主義國(guó)家提供的。在上世紀(jì)八十年代,由于世界經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),使國(guó)外機(jī)床行業(yè)對(duì)機(jī)床產(chǎn)品的市場(chǎng)需求相當(dāng)樂(lè)觀,因而把相當(dāng)?shù)木Ψ诺搅斯I(yè)自動(dòng)化的研究上,當(dāng)時(shí)的熱點(diǎn)是,柔性加工中心、柔性制造系統(tǒng)等,而對(duì)五

4、面加工中心的研究開發(fā)不夠重視。而真正的五面加工中心的研制開始于八十年代末,在國(guó)外形成規(guī)模是在九十年代中期,同期年也出現(xiàn)了高速加工中心和五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。出現(xiàn)了以瑞士威力銘工、米克郎工,德國(guó)德馬吉為代表的生產(chǎn)廠家,先后開發(fā)了不同規(guī)格、不同結(jié)構(gòu)形式的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心,各具特色。從國(guó)外五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床的發(fā)展看,機(jī)床不再單純是一臺(tái)加工設(shè)備,而是工廠自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的組成單元。市場(chǎng)對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床的要求越來(lái)越高,己經(jīng) 出現(xiàn)與傳統(tǒng)機(jī)床完全不同的特征和機(jī)構(gòu)。概要地說(shuō),就是通過(guò)各種技術(shù)全面集成,大幅度提高生產(chǎn)率。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面高速化就現(xiàn)在而言,只要說(shuō)到加工中心,機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速一般都在以上。由于高速電主軸

5、的普遍應(yīng)用,主軸轉(zhuǎn)速也進(jìn)一步提高,有的高達(dá)一,快移速度也由于直線電機(jī)的采用而提高到以上,很多機(jī)床的直線運(yùn)動(dòng)加速度達(dá)到一,少數(shù)可達(dá)以上。米克郎公司的高速加工中心,可進(jìn)行高速軸聯(lián)動(dòng)加工。液體冷卻的主軸電機(jī)由陶瓷軸承支承,轉(zhuǎn)速高達(dá)、并有整體式托盤架和托盤交換裝置。目前一般加工中心的定位精度,精密級(jí)的精度。公司的一型高精度軸高速加工中心,帶一個(gè)傾斜轉(zhuǎn)臺(tái),所有坐標(biāo)的直線運(yùn)動(dòng)定位精度,軸、軸的回轉(zhuǎn)精度,主軸轉(zhuǎn)速號(hào)錐度至號(hào)錐度,主要用途是取消鑄造而直接由實(shí)體坯料加工出形狀復(fù)雜的箱體件。國(guó)內(nèi)最先研制出五軸聯(lián)動(dòng)加工中心是在年,代表作是當(dāng)時(shí)江蘇常州機(jī)床總廠現(xiàn)多棱集團(tuán)開發(fā)出了一臺(tái)定梁龍門式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心,國(guó)內(nèi)五軸

6、聯(lián)動(dòng)加工中心能夠開發(fā)成功關(guān)鍵在于國(guó)內(nèi)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的掌握己經(jīng)達(dá)到了較高程度,主要是基于的數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的生產(chǎn)廠家主要有常州機(jī)床廠多棱集團(tuán)、桂林機(jī)床股份有限公司、北京第一機(jī)床廠、北京機(jī)電研究院,其中前三家的產(chǎn)品主要是龍門式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床,北京市機(jī)電研究院的產(chǎn)品是立式結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。1.2五軸聯(lián)動(dòng)加工中心市場(chǎng)需求和開發(fā)意義五軸聯(lián)動(dòng)加工中心主要用于有空間曲面的中小型殼體、箱體類零件的加工,加工的典型零件有葉片、葉輪、模具輪廓等,最典型的零件是蝸輪葉片的加工。應(yīng)用的領(lǐng)域包括航空航天、軍工、模具制造,甚至到一般機(jī)械加工。在目前國(guó)家大力發(fā)展航空、航天、軍工產(chǎn)業(yè)的情況下,

7、有較好的市場(chǎng)前景。國(guó)家在十五規(guī)劃中把五面加工和五軸聯(lián)動(dòng)加工中心列為重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)品,并預(yù)計(jì)這類產(chǎn)品的年需求量在“十五”末期將達(dá)到臺(tái)年。大規(guī)格的產(chǎn)品主要采用龍門式結(jié)構(gòu),需求量最大的是中等規(guī)格產(chǎn)品。由此可以推斷中小規(guī)格的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心年需求量可以達(dá)到臺(tái)年左右,估計(jì)“十五”初期的年需求量在臺(tái)年左右,并將以較快的速度增長(zhǎng)。就于國(guó)內(nèi)的五軸加工機(jī)床的開發(fā)而言,五軸聯(lián)動(dòng)加工中心在國(guó)內(nèi)也己經(jīng)有了很好的開發(fā),但都以大型、普通精密級(jí)的產(chǎn)品為主。品種上,己經(jīng)擁有立式、臥式、龍門式和落地式的加工中心,以適應(yīng)大小不同尺寸的復(fù)雜零件的加工,還有五軸聯(lián)動(dòng)銑床和大型幢銑床以及車銑中心等,這基本涵蓋了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求。在產(chǎn)品銷售方

8、面江蘇多棱、濟(jì)南二機(jī)、北京機(jī)電研究院、桂林機(jī)床、北京一機(jī)等企業(yè)產(chǎn)品,己獲得國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的認(rèn)同。但從精度上和五軸數(shù)控技術(shù)的開發(fā)上與國(guó)外先進(jìn)水平還存在很大差距。特別是高精度、中等規(guī)格的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心產(chǎn)品國(guó)內(nèi)廠家開發(fā)較少,有些是受技術(shù)水平的限制,缺乏生產(chǎn)精密級(jí)機(jī)床產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)有些是對(duì)五軸數(shù)控技術(shù)的掌握上仍然存在差距。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)中等規(guī)格產(chǎn)品只有北京機(jī)電研究院和北京第一機(jī)床廠,并且也只能生產(chǎn)普通精密級(jí)的。由此可見,高精密、中等規(guī)格的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心是國(guó)內(nèi)該類機(jī)床的開發(fā)盲點(diǎn)。第二章 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析2.1五軸聯(lián)動(dòng)加工中心總體布局設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)機(jī)床的第一步,是確定總體方案。機(jī)床是由部件裝配而成的,

9、每個(gè)部件在機(jī)床中占有一定的位置。選擇機(jī)床的形式,分配運(yùn)動(dòng)以及安排各部件等在整臺(tái)機(jī)床中的位置,即機(jī)床的總體布局王。機(jī)床的總體布局是保證實(shí)現(xiàn)機(jī)床工藝方案的基礎(chǔ),也是部件和零件的設(shè)計(jì)依據(jù),對(duì)整個(gè)機(jī)床設(shè)計(jì)的影響較大。合理的機(jī)床總體布局應(yīng)滿足（1）保證刀具和工件間的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)（2）足夠的剛性,抗振性（3）便于操作、維修、排屑等（4）材料消耗低,占地面積?。?）造型美觀。機(jī)床總體布局設(shè)計(jì)的一般步驟是,先根據(jù)工藝分析,分配機(jī)床部件的運(yùn)動(dòng),不同的工藝方法所要求的機(jī)床運(yùn)動(dòng)的類別和數(shù)目是不一樣的。因此,在分析工藝是同時(shí),還必須分析機(jī)床上的運(yùn)動(dòng)。然后,選擇傳動(dòng)形式和支承型式,并擬訂從布局上改善機(jī)床性能和技術(shù)

10、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的措施,比如為增強(qiáng)機(jī)床的剛性,設(shè)計(jì)機(jī)床支承型式為使機(jī)床的移動(dòng)軸具有更快的移動(dòng)速度而盡量在傳動(dòng)形式上減輕該軸移動(dòng)部件的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)慣量等等。五軸聯(lián)動(dòng)加工中心為符合加工高速、精密、高剛性而采用多種結(jié)構(gòu)形式,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面沿用了較多的高速加工中心特別是高性能加工中心的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),但由于其各軸的運(yùn)動(dòng)要求又不同于常規(guī)的加工中心,由三個(gè)移動(dòng)軸和兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng),因而有自身的特點(diǎn)2.2主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究。在確定機(jī)床總體方案后,就要根據(jù)方案進(jìn)行各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),而主軸系統(tǒng)作為傳遞動(dòng)力和直接承受切削的關(guān)鍵部件組,直接影響機(jī)床的加工性能、加工精度以及加工效率。五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的主軸轉(zhuǎn)速目前一般

11、在以內(nèi),高速銑削更是達(dá)到“,并有向更高速化發(fā)展的趨勢(shì)。因?yàn)槲遢S聯(lián)動(dòng)加工在考慮機(jī)床的空間曲面加工能力的同時(shí),追求高的加工效率也提到主要要求中。由此,高速主軸被考慮到機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中來(lái)。高速主軸是高速切削機(jī)床的核心部件,隨著對(duì)主軸轉(zhuǎn)速要求的不斷提高,傳統(tǒng)的齒輪皮帶變速傳動(dòng)系統(tǒng)由于本身的振動(dòng)、噪音等原因己不能適應(yīng)要求,取而代之的是一種新穎的功能部件電主軸,它將主軸電機(jī)與機(jī)床主軸合二為一,實(shí)現(xiàn)了主軸電機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。高速主軸需要發(fā)展新的主軸技術(shù)。在設(shè)計(jì)上,要求具有與工作性能相適應(yīng)的旋轉(zhuǎn)精度、剛度、耐磨性和抗振性,就是要保證機(jī)床在一定的載荷與轉(zhuǎn)速下,主軸能帶動(dòng)工件或刀具精確、穩(wěn)定地繞軸心旋轉(zhuǎn),并長(zhǎng)期

12、保持這一性能。除此之外,還要求克服溫升,減少熱變形結(jié)構(gòu)上考慮主軸軸承的選擇和定位,軸承間隙的調(diào)整、潤(rùn)滑等。而五軸聯(lián)動(dòng)加工中心屬于高速切削機(jī)床的范疇,對(duì)主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還有更高的要求。第三章 結(jié)論五軸聯(lián)動(dòng)加工中心是機(jī)床設(shè)計(jì)中較難掌握的機(jī)床設(shè)計(jì),本論文在綜合分析國(guó)外五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合國(guó)內(nèi)同行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和寧江集團(tuán)企業(yè)自身的產(chǎn)品市場(chǎng)定位,積極運(yùn)用國(guó)外先進(jìn)機(jī)床設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)分析手段,采用設(shè)計(jì)和試驗(yàn)相結(jié)合的方法,系統(tǒng)的對(duì)精密高速五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的機(jī)床總體布局、主要功能部件的設(shè)計(jì)、保持機(jī)床精度的研究和機(jī)床高速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)性能分析等內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。這些研究成果成功地應(yīng)用在寧江集團(tuán)研制的

13、五軸聯(lián)動(dòng)加工中心一上,并于年就完成了樣機(jī)的試制。從樣機(jī)制造情況看,機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。目前,該產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,服務(wù)于國(guó)家重要領(lǐng)域。并從訂貨情況看,銷售情況很好。綜合論文所作地研究工作,主要取得了以下成果（1）寧江集團(tuán)率先開發(fā)的精密高速五軸聯(lián)動(dòng)加工中心,適應(yīng)國(guó)內(nèi)發(fā)展航空航天等軍事領(lǐng)域提供重要裝備的要求,從該機(jī)床的銷售情況看,機(jī)床開發(fā)思路和市場(chǎng)地位都是準(zhǔn)確和符合用戶要求的。（2）機(jī)床采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),三坐標(biāo)采用適應(yīng)高速、高剛性的“箱中箱”結(jié)構(gòu)布局,確保三坐標(biāo)快移速度,加速度采用先進(jìn)的高速電主軸,使得機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到,實(shí)現(xiàn)機(jī)床高速切削性能。（3）在綜合分析現(xiàn)有的位置檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,采用數(shù)字化全閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng),分析國(guó)外先進(jìn)重心驅(qū)動(dòng)理論,結(jié)合企業(yè)雙光柵檢測(cè)的定位精度測(cè)試,提出保持機(jī)床高精度的先進(jìn)檢測(cè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì),大膽采用雙絲杠驅(qū)動(dòng),雙光柵閉環(huán)檢測(cè)控制,對(duì)機(jī)床保持運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和高精度保持起到很好的作用,機(jī)床達(dá)到定位精度。（4）基于機(jī)床本身的高速特性,系統(tǒng)的分析有限元法的基本原理和方法,采用有限元分析軟件對(duì)機(jī)床關(guān)鍵移動(dòng)部件進(jìn)行有限元分析,并將分析結(jié)果輔助機(jī)床性能試驗(yàn),從而為機(jī)床設(shè)