1.2 多轴铣机床
所谓“工艺”是指将原材料或半成品加工成产品的方法、技术等。机床是工艺的基础,要了解多轴数控铣工艺首先就要了解数控机床,尤其是要了解多轴数控机床。
1.2.1 认识多轴铣机床
自从20世纪50年代,美国麻省理工学院研制了世界第一台试验性数控系统机床以来,数控铣机床发展至今已经有60多年的历史了。因为这种设备解决了机械加工中的很多难题,人们利用它可以制造出很多结构复杂的产品,随着人类生产需求的日益增长,促进了数控机床技术得到很快的发展。
根据数控机床系统同时控制联动轴的个数可以分为以下几种。
(1)二轴半联动机床
可以同时控制2个轴。这个机床所能识别的数控程序的特征是:其中一段数控程序的X、Y、Z三个数值不能同时出现。至今有些数控编程系统软件(如Cimatron、Mastercam等)里的刀路类型仍有这个功能。执行开粗程序时,由于机床不能执行螺旋下刀命令,需要事先在毛坯上钻孔,刀具就是从这个进刀孔下刀进行分层铣削。这种机床已经停产。
(2)三轴联动机床
可以同时控制3个轴,这是目前普遍使用的数控机床。这种机床使用的数控程序特征是:在一段程序里可以同时出现X、Y、Z三个数值。开粗时可以顺利地执行螺旋下刀指令,而不必在毛坯上钻孔。
(3)四轴联动机床
可以同时控制4个轴,在一段数控程序里可以同时出现如X、Y、Z、A这样的指令。工作情况一般是:工件一边在绕X轴旋转(即A旋转轴),刀具一边可以沿着X、Y、Z三个坐标数值在移动。这种机床结构特点是:在传统三轴机床的工作台上另外安装一个旋转工作台(当然还可以是XYZB型)。
(4)五轴联动机床
可以同时控制5个轴。在一段数控程序里,除了可以同时出现X、Y、Z三个数值外,另外还可以出现A、B、C三个中的两个旋转指令。
常见典型的结构是双转台式五轴联动数控铣床。这种简易机床结构特点是:在传统三轴机床的工作台上,另外安装一个摇篮式双转旋转工作台。有些就用摇篮式双转旋转工作台替代三轴工作台。
这种机床工作情况一般是:工件一边在绕X轴旋转(即A旋转轴)及Z轴旋转(即C旋转轴),刀具一边可以沿着X、Y、Z三个坐标数值在移动。
随着科学技术的发展,五轴以上的虚轴机床也已经出现了,这种机床一般是通过连杆运动实现了主轴的多自由度运动。
1.2.2 坐标轴定义
多轴数控铣机床是在传统的三轴铣机床已经具备的X、Y、Z三个线性轴基础之上再增加了至少一个绕线性轴旋转的轴(如A轴、B轴或者C轴)的数控机床。如果有了第4轴的机床就称为四轴机床,如果有第4轴和第5轴的机床就称为五轴机床,这两种类型机床统称为多轴机床。
根据ISO标准,数控机床坐标系统采用右手直角笛卡儿坐标系进行定义,线性轴用直角坐标系X、Y、Z表示,其正方向遵循右手定则来判定。而旋转轴用A、B、C分别表示绕X、Y、Z的旋转轴,其方向用右螺旋法则判定。
通俗地讲,对于立式机床来说,观察者面向机床而站,观察主轴上安装的刀具运动的方向,向上移动的方向就是Z正方向,向右移动就是X正方向,离开观察者向里移动就是Y正方向。
用右手握住X轴,大拇指指向X正方向,则四指环绕的方向就是A轴正方向。用右手握住Y轴,大拇指指向Y正方向,则四指环绕的方向就是B轴正方向。用右手握住Z轴,大拇指指向Z正方向,则四指环绕的方向就是C轴正方向。
对于双转台五轴联动机床来说,刀具方向始终是互相平行的,工作台实际旋转的正方向与此规定正好相反。沿着X轴正向朝负方向看,顺时针旋转方向就是A轴的正方向。沿着Y轴正向朝负方向看,顺时针转动的方向就是B轴的正方向。沿着Z轴正向朝负方向看,顺时针旋转的方向就是C轴的正方向。
1.2.3 五轴联动机床常用类型
根据常用五轴联动机床的结构特点,可以分为以下方式。
按照结构形式,典型的机床结构有:
①双转台型,如XYZAC型机床;
②一转台和一摆臂,如XYZBC型;
③双摆臂,如XYZAB型。
其他类型的多轴机床还有:
①非正交结构,如Deckel-Maho公司出的一种机床,其B轴中心线与XY平面夹角为45°;
②在三轴机床工作台上附加旋转工作台成为五轴铣床。如果这种机床没有联动功能,也称“3+2”型机床。
五轴机床如果装有刀库就称为五轴加工中心,可以加工出一些三轴机床无法加工或者很困难才能加工出的零件,如:①核潜艇上的整体叶轮、发动机涡轮叶片;②飞机发动机上的复杂结构件需要一次性加工的零件;③具有倒扣结构的模具类零件。
机床是否具有联动功能将直接影响着机床的性能和价格,有时相差会很大,企业应该根据所生产零件产品的特点和实际需要,慎重选购这种类型的机床。一般来说,如果产品的倒扣曲面和正常曲面之间的过渡要求很精确地连接,则五轴联动机床就达到满意的加工效果,而非联动机床(如“3+2”型)就会差一些。当然不管哪种类型的机床,都需要使用企业定期对机床进行精度调整和校正,时时刻刻使机床处于“健康”状态,才真正可以精确加工出合格的产品,发挥机床的效能。