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五轴联动头摆和工作台摆两种结构的对比


五轴联动头摆和工作台摆两种结构的对比 模具行业五轴机床的应用越来越多。 五轴机床的五个轴通常是由三个 直线轴外加两个回转轴组成的,其结构方式却有很大差别。不同的结构 形式会使机床在刚性、动态性能和精度稳定性等方面产生一些差异。本 文主要针对立式主轴摆动、立式主轴不动工作台摆动(摇篮式)这两种不 同结构的五轴机床进行分析比较,以便用户充分了解其结构形式,从而 有利于其根据自己产品的

特点和经济能力挑选合适的机床。

头摆机床的旋转点和检测中心是位于主轴上的,如图 1 所示。而工作台 摆动机床的旋转点和检测中心位于机床的床身,图 2 所示。

图 1 头摆机床和工作台摆动机床的旋转点和检测中心

图 2 头摆机床和摇篮式工作台摆动机床的检测中心示意图

这里以两种机床旋转轴旋转 90°加工同一个零件上的空间垂直孔为例, 说明两种机床的区别。

图 3 此零件需要在两个相邻面上加工两个相互垂直的通孔

1. 机床主轴刚性比较头摆机床在加工的过程中,由于主轴摆动,使得 主轴的刚性相对差;而工作台摆动机床,由于是工作台摆动,所以不会 对主轴的刚性产生任何影响。

2. 机床加工的效率对比由于旋转点的不同,刀尖实现同样的位移时, 头摆机床的主轴需要摆动更大的角度(类似杠杆原理),所以加工同样的 零件,头摆机床的效率更低。

3. 刀具长度对机床加工精度的影响摆动误差=摆臂× 摆角对头摆机床 来讲,刀具长度是摆臂的一部分。也就是说,在头摆的情况下,刀具的

长度影响摆臂长度,放大误差。即误差会随刀具的长度增长而增大,如 图 1 所示。而如图 2 所示,对于摇篮式工作台摆动机床,刀具长度与摆 臂的长度无关。 头摆机床和摇篮式工作台摆动机床的加工误差与刀具长 度的关系在图 4 和图 5 中可以得到很明显的展示。

图 4 头摆机床中刀具长度与位置误差的关系

图 5 摇篮式工作台摆动机床长度与位置误差的关系

4. 随着摆动,两种机床都会产生位置误差,但是头摆机床还会产生形 状误差,而工作台摆动则不会产生形状误差头摆机床刀具旋转,从而产 生位置误差。 与此同时, 加工孔的进给方向和刀具的回转中心发生偏离, 情况如图 6 所示, 所以加工孔产生位置误差的同时, 还会产生形状误差, 出现楔形孔。

图 6 头摆机床在产生位置误差的同时会产生形状误差

而工作台摆动机床的位置误差是由工作台摆动造成, 主轴的进给方向和 刀具的旋转中心始终重合,所以不会再附加产生形状误差。这是摇篮式 工作台摆动与头摆相比另一个明显的优势。

图 7 摇篮式工作台摆动机床不产生形状误差

5. 五轴加工大小范围的比较

随着头摆机床主轴的摆动, 工件直径方

向的加工范围将会缩小,也就是说,主轴摆动角度时会吃掉行程,从而 导致五轴加工所能加工最大工件的直径范围比其三轴加工时小; 而工作 台摆动机床的工作台摆动,对工件水平方向的尺寸不会产生任何影响, 从这个意义上讲,五轴加工和三轴加工时的工件大小范围是相同的。但 是五轴加工工件的最大范围还需考虑机床结构引起的干涉。 用户应该要 求机床供应商提供五轴加工干涉示意图来分析比较。通常情况下,同样 的行程, 采用摇篮式工作台摆动结构的机床五轴加工范围会比头摆式机 床更大。

结论

摇篮式的工作台摆动机床主轴的刚性好,加工效率高;刀具长度对加工 精度不会产生影响;加工不会产生形状误差;同样的行程,机床五轴加

工范围会比头摆式机床更大。

头摆机床主轴的刚性相对较差,加工效率相对较低;加工精度会随刀具 长度的增长而降低; 加工会产生形状误差; 主轴摆动角度时会吃掉行程, 从而导致能够加工的最大工件尺寸变小。

另外需要补充的是,工作台摆动机床由于需要克服工件自重的原因,如 果工件很重,对夹具有更高的要求;还有,加工大型重型零件时机床无 法实现工作台摆动,就只能采用头摆的方式。


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