五轴联动头摆还是工作台摆

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。

1 头摆机床和工作台摆动机床的旋转点和检测中心

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。

                       

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。

4  头摆机床中刀具长度与位置误差的关系

 

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。

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。

  

  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。

(德国哈默公司 北京办事处 王德军)

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