五轴加工中心论文

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1、机械工程领域工程实践问题案例分析fiRSITY学院：机械工程学院专业班级：机械工程1705班学号：名：师: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

2、,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“

3、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

4、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

5、，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

6、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、

7、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，

8、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

9、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 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。

10、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

11、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, 传统的齿轮一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一电主轴，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

12、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 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

13、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

14、,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，从而为机床设计的高速、精密等性能提供直接保证，也为以后的机床计算 机辅助设计和分析提供实际的数据和依据。参考文献1 勤作，振兴装备制造业，首先振作机床工业.世界制造技术与装备市场，2005.1:34352 NJ 5HMC40五轴联动加工中心成果鉴定报告四川省科技厅3 罗辉国高速加工的实现与应用航空精密制造技术，2001,64 李开佛数控金切机床的高速主轴系统机械与金属,2005.85 迟建山等编著金属切削机床设计上海科学技术出版社,1980