日本日研NIKKEN刀具(2019郑州机床展｜高端门窗加工设备五轴联动机床介绍)

装备制造业是一个国家工业的基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段。随着现代工业的发展，传统的三轴机床早已不能满足日益复杂的零件加工要求。

为了适应多面体和曲面零件的加工，五轴联动机床应运而生。

五轴联动机床集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，其制造难度最大，但其是应用范围也最广泛。 五轴联动机床最早应用于航空航天、船舶等军事领域，后来应用于模具、精密仪器、高精度医疗设备等行业。

五轴联动加工技术时解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等异形复杂工件的重要手段，有些甚至是唯一手段。国际上把五轴联动加工技术作为一个国家工业化水平的标志。五轴加工的一些特殊零件见图1-1所示。

图1-1

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技术流

（第005期）

（中建门窗武汉加工厂五轴加工中心，意大利进口）

01

“五轴机床为什么这么神？”

＊　与传统三轴、四轴机床相比，五轴机床具有哪些优势？

1.减少抛光工序

五轴加工 三轴加工

2.加工质量高

五轴加工 三轴加工

3.刀具姿态变化，从而改善切削环境

五轴加工 三轴加工

4.刀具可达性好

五轴加工 三轴加工

5.避免过切

五轴加工 三轴加工

6.清角彻底

五轴加工 三轴加工

02

“五轴机床的结构特点有哪些？”

＊　五轴机床在三个直线轴基础上增加了两个旋转轴，而且可以五轴联动。五轴机床有定位五轴和五轴联动两类：定位五轴机床即3+2 轴机床，刀轴矢量可以改变但固定后沿着整个切削路径过程不改变，而五轴联动机床加工时刀轴矢量可根据要求在整个切削路径上根据要求而改变。我们讨论的对象是五轴联动机床。

＊　根据两个转动轴的结构形式，五轴机床可以分为以下三类：

1.双转轴结构

采用这类结构的五轴联动机床刀轴方向不动，两个旋转轴均在工作台上，如图1-8所示。

加工时工件随着工作台转动，这类机床能加工尺寸比较小的零件，适用于整体蜗轮、小型精密模具和齿轮等。双工作台的结构按照旋转轴轴线是否与直线轴相垂直主要有两种结构形式，如图1-8、图 1-9所示。

图 1-9

双工作台结构的五轴联动机床的典型产品有沈阳机床股份有限公司的VNC-e 系列五轴立式加工中心、大连机床集团的 VDW500型高速五轴立式加工中心、日本 Mazak Variaxis 系列五轴加工中心、瑞士 Mikron UCP710 五轴立式加工中心和德国DMG HSC20/55 型五轴高速高精度加工中心、DMU 70 型 5轴万能数控加工铣床。

2.双摆轴结构

采用这类结构的五轴联动机床工作台不动，两个旋转轴均在主轴上。由于摆轴中间一般有一个带松拉刀机构的电主轴，所以双摆轴自身的尺寸一般比较大。

这类机床一般采用龙门式或动梁龙门式结构，能加工的零件尺寸比较大，如机翼肋板等。双摆轴的结构按照旋转轴轴线是否与直线轴相垂直主要有两种结构形式，如图1-10、图 1-11 所示。

图 1-10

双工作台结构的五轴联动机床的典型产品有沈阳机床股份有限公司的GMCu 系列桥式五轴加工中心、江苏新瑞机床（集团）有限公司的 XH2725-5X-10五轴高架桥式龙门加工中心、日本牧野公司的 T2/T4 五 轴加工中心和美国哈斯公司的 VR-8 五轴立式加工中心。

3.转轴摆轴结构

采用这类结构的五轴联动机床两个旋转轴分别在主轴和工作台上，如图1-12 所示。

单独的旋转工作台使得能加工的工件尺寸范围比较大，而摆轴让刀轴方向改变灵活，让这类五轴联动机床可以有多种不同的组合以适应不同零件的加工要求。

转轴摆轴结构的五轴联动机床的典型产品有台湾永进机床TCV3000A-5AF 立式加工中心、日本牧野公司的 MAG1 五轴加工中心、德国 DMG HSC 75/105 型五轴高速高精度加工中心。

在这类机床有一类专门用于汽轮机叶片加工的机床，常采用 A 轴和 B 轴结构，如下图

1-13 所示。

图 1-13 包含转轴和摆轴的汽轮机叶片加工机床

典型的机床产品如北京机电院机床有限公司的 XKH 系列五轴联动叶片加工中心、鲁南机床有限公司的 VHP800-5AX五轴联动加工中心和意大利法拉利机床的 A175 型五轴机床等。

03

“转轴和摆轴的结构有何特点？”

＊　根据两从上面的分析可以看到，摆轴和转轴间的组合使得五轴机床的结构有了很大的变化，而转轴和摆轴本身的结构也有很多种类。

＊　 单转台的结构介绍

单转台的结构按照驱动方式可以分为蜗轮蜗杆、直驱式和齿轮驱动三种。

1.蜗轮蜗杆副驱动转台

蜗轮蜗杆副驱动形式在转台中使用最广泛，结构如下图1-14 所示。

图 1-14 蜗轮蜗杆副驱动转台示意图

这种形式的转台的转台通过轴承固定到底座上，蜗轮与转台相连。伺服电机通过联轴器驱动蜗杆旋转，带动蜗轮和转台转动。蜗杆两端通过轴承固定到转台底座上。蜗轮蜗杆副的结构根据用途和性能不同已经有很多种结构形式，如圆柱蜗轮蜗杆副、环面蜗轮蜗杆副等。

蜗轮蜗杆驱动的转台需要解决的一个重要问题是消除蜗轮蜗杆间的反向间隙，保证蜗轮蜗杆在正转、反转转换时蜗轮与蜗杆间不发生冲击。常用的消除反向间隙的方法包括：蜗杆采用双蜗杆结构、采用变齿厚蜗杆及通过双蜗轮蜗杆副驱动等。如图1-15、图 1-16、图 1-17所示。

图 1-16 变齿厚蜗杆示意图

图 1-17 双蜗轮蜗杆副消隙示意图

2.直驱式转台

转台采用直驱方式时，大大简化了转台的机械结构，并且能够达到更高的转速。

如图1-18、图 1-19 所示，直驱电机的转子与转台的轴直接相连，省去了联轴器等中间环节，传动精度更高，同时其几何尺寸比蜗轮蜗杆副驱动的转台小很多。

图 1-18 西门子 1FW6 力矩电机结构示意图

图 1-19直驱式转台结构示意图

3 .齿轮驱动转台

齿轮驱动转台主要用于大型机床上，如镗床、滚齿机等。为了消除反向间隙，常采用两个齿轮同时驱动与工作台相连的大齿盘。

＊　 双 转台的结构介绍

双转台可以看做两个单转台的组合，但是其结构根据实际性能要求有很多种型式，如下图1-20、图 1-21、图 1-22所示。

图 1-20 Matsumoto 公司的单臂式双转台

图 1-21 Nikken 5AX-800 型蜗轮蜗杆驱动转摆台

图 1-22 MMK 公司的 DDAT306 型直驱转摆台

＊　 单摆轴的结构介绍

单摆轴的驱动方式与单转台的驱动方式基本相同，也有蜗轮蜗杆副驱动、直驱式和齿轮驱动三种型式。其主要的结构型式如图1-23、图 1-24、图 1-25所示。

(a) 单边驱动 (b)两边同时驱动 (c)悬臂结构图

图1-23 单摆轴的三种结构型式

图 1-24倾斜式摆头的结构型式(CYTEC 公司产品)

图 1-25 两个西门子 1FW6 力矩电机驱动的转摆头

与转台不同的是，单摆轴有单边驱动和双边驱动之分，采用双驱能够消除反向间隙，同时能够减小摆轴固定叉形基座的变形。

＊　 双 摆轴的结构介绍

双摆轴的结构即在单摆轴基础上增加一个旋转轴。根据单摆轴的种类和旋转轴的结构形式，双摆轴也有很多种不同的结构型式，如下图1-26 所示。

＊　 抱闸装置

在加工过程中，当转轴和摆轴结构需要较长时间固定在一定位置时，需要附加的抱闸装置来固定转动部分。在蜗轮蜗杆副驱动的转台或转摆台中，通过抱闸装置固定转动部分可以减小蜗轮与蜗杆间的作用力，提高使用寿命。常用的抱闸方式采用胀紧套或刹紧片由液压、气动抱闸。

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