五轴加工中心论文

1、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班学 号： 201731001学 生 姓 名： 郭光雨指 导 教 师： 郑鹏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。

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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,

7、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

8、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,

9、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,不同的工艺方法所要求的机床运动的类别和数目是不一样的。因此,在分析工艺是同时,还必须分析机床上的运动。然后,选择传动形式和支承型式,并拟订从布局上改善机床性能和技术

10、经济指标的措施,比如为增强机床的刚性,设计机床支承型式为使机床的移动轴具有更快的移动速度而尽量在传动形式上减轻该轴移动部件的质量和运动惯量等等。五轴联动加工中心为符合加工高速、精密、高刚性而采用多种结构形式,结构设计方面沿用了较多的高速加工中心特别是高性能加工中心的相关结构设计,但由于其各轴的运动要求又不同于常规的加工中心,由三个移动轴和两个回转轴实现五轴联动,因而有自身的特点2.2主轴系统设计及关键技术研究。在确定机床总体方案后,就要根据方案进行各部件的结构设计,而主轴系统作为传递动力和直接承受切削的关键部件组,直接影响机床的加工性能、加工精度以及加工效率。五轴联动加工中心的主轴转速目前一般

11、在以内,高速铣削更是达到“,并有向更高速化发展的趋势。因为五轴联动加工在考虑机床的空间曲面加工能力的同时,追求高的加工效率也提到主要要求中。由此,高速主轴被考虑到机床结构设计中来。高速主轴是高速切削机床的核心部件,随着对主轴转速要求的不断提高,传统的齿轮皮带变速传动系统由于本身的振动、噪音等原因己不能适应要求,取而代之的是一种新颖的功能部件电主轴,它将主轴电机与机床主轴合二为一,实现了主轴电机与机床主轴的一体化。高速主轴需要发展新的主轴技术。在设计上,要求具有与工作性能相适应的旋转精度、刚度、耐磨性和抗振性,就是要保证机床在一定的载荷与转速下,主轴能带动工件或刀具精确、稳定地绕轴心旋转,并长期

12、保持这一性能。除此之外,还要求克服温升,减少热变形结构上考虑主轴轴承的选择和定位,轴承间隙的调整、润滑等。而五轴联动加工中心属于高速切削机床的范畴,对主轴的结构设计还有更高的要求。第三章 结论五轴联动加工中心是机床设计中较难掌握的机床设计,本论文在综合分析国外五轴联动加工技术的基础上,结合国内同行业的发展现状和宁江集团企业自身的产品市场定位,积极运用国外先进机床设计结构和设计分析手段,采用设计和试验相结合的方法,系统的对精密高速五轴联动加工中心的机床总体布局、主要功能部件的设计、保持机床精度的研究和机床高速运动的动态性能分析等内容和关键技术进行了深入研究。这些研究成果成功地应用在宁江集团研制的

13、五轴联动加工中心一上,并于年就完成了样机的试制。从样机制造情况看,机床结构设计合理,性能指标达到国内先进水平。目前,该产品已经实现产业化,服务于国家重要领域。并从订货情况看,销售情况很好。综合论文所作地研究工作,主要取得了以下成果（1）宁江集团率先开发的精密高速五轴联动加工中心,适应国内发展航空航天等军事领域提供重要装备的要求,从该机床的销售情况看,机床开发思路和市场地位都是准确和符合用户要求的。（2）机床采用模块化结构设计,三坐标采用适应高速、高刚性的“箱中箱”结构布局,确保三坐标快移速度,加速度采用先进的高速电主轴,使得机床主轴转速达到,实现机床高速切削性能。（3）在综合分析现有的位置检测系统的基础上,采用数字化全闭环检测系统,分析国外先进重心驱动理论,结合企业双光栅检测的定位精度测试,提出保持机床高精度的先进检测系统的方案设计,大胆采用双丝杠驱动,双光栅闭环检测控制,对机床保持运动平稳和高精度保持起到很好的作用,机床达到定位精度。（4）基于机床本身的高速特性,系统的分析有限元法的基本原理和方法,采用有限元分析软件对机床关键移动部件进行有限元分析,并将分析结果辅助机床性能试验,从而为机床设