CN104097072A - 一种准五轴加工中心及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准五轴加工中心及其加工方法，准五轴加工中心包括AC转台结构，AC转台结构包括C轴转台，C轴转台包括：桥架板，其一端支撑连接于第一支撑台上，其另一端支撑连接于第二支撑台上，桥架板上还装配有可绕C轴自由旋转的交叉轴环；旋转板，与A轴的轴线方向平行设置并且支撑连接于交叉轴环的旋转端面上，旋转板上还设置有轴套，轴套中设置有可绕C轴自由旋转的旋转轴承；加工主轴可拆卸的连接有驱动销，旋转轴承移动至驱动销的下方时，驱动销插设于旋转轴承的中孔中。本发明中的C轴旋转动力源来自于普通立式机床的加工主轴，可以利用现有的普通立式XYZ三轴机床，最大程度降低多面零件的加工成本，且加工精度高，设备结构简单。

Description

一种准五轴加工中心及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种准五轴加工中心，具体涉及一种准五轴加工中心及其加工方法。

背景技术

五轴加工（5 Axis Machining），是数控机床加工的一种模式。根据ISO的规定，在描述数控机床的运动时，采用右手直角坐标系；其中平行于主轴的坐标轴定义为z轴，绕x、y、z轴的旋转坐标分别为A、B、C，各坐标轴的运动可由工作台，也可以由刀具的运动来实现，但方向均以刀具相对于工件的运动方向来定义，通常五轴联动是指x、y、z、A、B、C中任意5个坐标的线性插补运动，换言之，五轴，指x、y、z三个移动轴加任意两个旋转轴。相对于常见的三轴（x、y、z三个自由度）加工而言，五轴加工是指加工几何形状比较复杂的零件时，需要加工刀具能够在五个自由度上进行定位和连接。 

五轴加工所采用的机床通常称为五轴机床或五轴加工中心。五轴加工常用于航天领域，加工具有自由曲面的机体零部件、涡轮机零部件和叶轮等。五轴机床可以不改变工件在机床上的位置而对工件的不同侧面进行加工，可大大提高棱柱形零件的加工效率。

目前五轴机床的种类主要有以下几类：

⑴. Head-Head 型

工作台不动，两个旋转轴都在主轴上。机床能加工的工件尺寸比较大；

⑵. Table-Head型

两个旋转轴分别放在主轴和工作台上，工作台旋转，可装夹较大的工件；主轴摆动，改变刀轴方向灵活；

⑶. Table-Table型

刀轴方向不动，两个旋转轴均在工作台上；工件加工时随工作台旋转，须考虑装夹承重，能加工的工件尺寸比较小。

根据目前市面上五轴设备技术的分析，不管五轴设备结构采用何种形式，其技术都非常成熟，在各个加工领域，起着极其重要的作用。但不管其加工效率如何高，但有一点不能否认，五轴加工中心相对于普通立式加工中心设备，其造价非常之高，不是一两倍问题，贵的有十几倍。设备费用的增加，必然会导致加工成本的增多，五轴设备加工单价相对于普通立式加工中心的加工费用，也成相应的比例。传统意义上的五轴加工设备，价格昂贵，加工单价成本高，对于一般的企业，采购五轴设备，具有一定的经济压力，同时对于零件的加工，加工制造成本高，缺乏一定的市场竞争力。

公开号 102672472A的中国发明专利申请公开了一种小型五轴加工中心，包括底座结构、XYZ立轴结构和BC转台结构，所述底座结构呈L形状，包括X轴基座和内部中空的机床底座，X 轴基座设置在机床底座上、两者为一体成型结构或固定连接成型结构，在X轴基座上设有X轴滚珠丝杆、Y轴滚珠丝杆、Z 轴滚珠丝杆和二条 X 轴导轨、二条Y 轴导轨、二条 Z 轴导轨；BC 转台结构设置在机床底座的台面上并且位于X 轴基座的正面旁边；在机床底座 的台面设有漏斗状结构排屑口，在 X 轴基座的正面处设有 BC 转台结构连接孔。本发明具有操作方便、生产效率高、成本低廉和美观协调的特点。

上述BC转台结构设置了B轴伺服电机和C轴转台电机两个驱动装置，占用空间比较大，且结构较为复杂，且加工精度无法保证。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种准五轴加工中心，设备体积小，结构简单，加工精度高。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种准五轴加工中心，包括XYZ三轴移动平台、设置于所述XYZ三轴移动平台上的工作台、设置于所述工作台上的AC转台结构以及设置于所述AC转台结构上方的加工主轴，所述AC转台结构包括A轴转台和C轴转台，所述A轴转台包括设置于所述工作台上的头座和尾座，所述头座设置有第一支撑台和可驱动所述第一支撑台绕A轴旋转的驱动机构，所述尾座设置有可绕A轴自由旋转的第二支撑台，所述A轴的轴线方向与所述加工主轴垂直设置，所述C轴转台包括：

桥架板，其一端支撑连接于所述第一支撑台上，其另一端支撑连接于所述第二支撑台上，所述桥架板上还装配有可绕C轴自由旋转的交叉轴环；

旋转板，与所述A轴的轴线方向平行设置并且支撑连接于所述交叉轴环的旋转端面上，所述旋转板上还设置有轴套，所述轴套中设置有可绕C轴自由旋转的旋转轴承；

所述加工主轴可拆卸的连接有驱动销，所述旋转轴承平移移动至所述驱动销的下方后上移时，所述驱动销插设于所述旋转轴承的中孔中。

进一步的技术方案，所述轴套设置于所述旋转板的边缘位置。

进一步的技术方案，所述驱动销设置为弹性尼龙材质。

进一步的技术方案，所述交叉轴环设置为交叉滚柱轴环。

进一步的技术方案，所述C轴转台还包括定位组件，所述定位组件包括定位液压缸、驱动连接于所述定位液压缸的定位销以及与所述定位销相匹配的定位孔，所述定位液压缸和定位销设置于所述桥架板上，所述定位孔开设于所述旋转板上，在加工状态时，所述定位销伸出所述桥架板的上侧并且插设于所述定位孔中，在旋转状态时，所述定位销收纳在开设于所述桥架板的收纳孔中，所述定位液压缸通过旋转油路分配器连通至液压系统上。

进一步的技术方案，所述C轴转台还包括夹具组件，所述夹具组件包括至少两个压板装置，每个所述压板装置包括设置于所述旋转板上的支撑座、设置于所述支撑座上的压紧液压缸以及连接于所述压紧液压缸的活塞杆上的压紧板，所述压紧液压缸通过旋转油路分配器连通至液压系统上。

进一步的技术方案，所述A轴转台设置为液压马达驱动的第四轴旋转工作台，所述第四轴旋转工作台设置有液压旋转分度盘。

进一步的技术方案，所述桥架板上设置有圆形的安装槽，所述交叉轴环装配于所述安装槽中且其旋转端面高出于所述旋转板。

本发明还提供另外一个技术方案：一种准五轴加工方法，采用如上所述的准五轴加工中心，包括如下步骤：

（1）、将待加工零件置放于所述旋转板上，并且将其定位并固定于设定的加工区域中；

（2）、将所述驱动销从设备刀库自动调用安装至所述加工主轴上；

（3）、通过所述XYZ三轴移动平台移动所述AC转台结构，使所述旋转轴承平移至所述驱动销的下方，再通过所述XYZ三轴移动平台移动所述AC转台结构，使所述旋转轴承上移至与所述驱动销套接连接；

（4）、通过所述XYZ三轴移动平台移动所述AC转台结构，使所述旋转板平移，进而进行旋转，实现待加工零件绕C轴方向的旋转；

（5）、将所述驱动销从所述加工主轴上调回设备刀库；

（6），通过A轴转台实现待加工零件绕A轴方向的旋转；

（7），将所述加工刀具装配于所述加工主轴上，通过XYZ三轴移动待加工零件，对所述待加工零件进行加工。

进一步的技术方案，所述步骤（7）之后还设置有步骤（8），所述步骤（8）为将所述加工刀具从所述加工主轴上拆卸下来，所述步骤（2）至所述步骤（8）循环进行。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明公开的准五轴加工中心，C轴转台的旋转动力来源于加工主轴，由设备主轴精确定位，驱动旋转板绕C轴旋转到具体位置；特殊定制的交叉滚柱轴环，保证夹具在旋转过程中的旋转精度及在加工过程中的刚性，从而满足加工设计需要；旋转油路分配器根据实际油路的需要，保证夹具装置实现自动定位、压紧功能，实现加工的自动化，另外，由于AC转台结构的体积较小，可用于现有的普通立式三轴机床上，充分利用现有设备。

此外该新技术的开发，前景广阔，其优势还表现在如下几点：

第一，投入成本少，见效快  相对于普通五轴加工中心的投入费用，至少在300万人民币左右，而采用准五轴液压夹具技术，加工同类型产品零件，投入费用主要包括一台普通立式加工中心、一台第四轴转台及旋转夹具，总费用在100万以内，其加工费用按市场为120元/小时，而五轴加工中心的加工费用至少在300元/小时以上；

第二，减少加工工序数量，节省夹具的投入费用  相对于普通加工工艺，在加工多面零件产品时，加工工序数量较多，必须分序加工，设备、夹具的投入较多。采用该新技术，相当于五轴设备加工，可以将以前几道工序合并成一道工序完成，从而节约了设备、夹具的硬件投入费用；

第三，降低了加工时间，节约了加工成本  由于工序的简化，减少了部分中间工件的重复装夹、定位、转运等环节，因此单件的加工时间也相对减少，因此加工费用同时降低；

第四，提高了零件加工稳定性，提升产品加工质量  工序的简化，工序数量的降低，减少了零件的多次重复定位、装夹，其产品零件的加工稳定性相对提高，产品质量相应得到保障，从而降低零件的报废率，减少企业的成本消耗。

附图说明

图1为本发明公开的准五轴加工中心的AC转台结构的示意图；

图2为本发明公开的准五轴加工中桥架板0度，旋转板15度的结构示意图；

图3为本发明公开的准五轴加工中桥架板90度，旋转板45度的结构示意图；

图4为本发明公开的准五轴加工中桥架板-90度，旋转板45度的结构示意图。

其中，11、头座；111、第一支撑台；112、驱动机构；12、尾座；121、第二支撑台；21、桥架板；211、交叉轴环；22、旋转板；31、轴套；32、旋转轴承；33、驱动销；41、定位液压缸；42、定位销；43、定位孔；511、第一支撑座；512、第一压紧液压缸；513、第一压紧板；521、第二支撑座；522、第二压紧液压缸；523、第二压紧板；6、旋转油路分配器；7、支撑块；71、定位支撑块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

实施例：

参见图1-图4，如其中的图例所示，一种准五轴加工中心，包括一XYZ三轴移动平台（图中未视出）、设置于该移动平台上的一工作台、设置于该工作台上的一AC转台结构以及设置于该AC转台结构上方的加工主轴，上述AC转台结构包括A轴转台和C轴转台，上述A轴转台包括设置于上述工作台上的一头座11和一尾座12，头座11设置有第一支撑台111和可驱动第一支撑台111绕A轴旋转的驱动机构112，尾座12设置有可绕A轴自由旋转的第二支撑台121，上述A轴的轴线方向与上述加工主轴垂直，上述C轴转台包括：

一桥架板21，其一端支撑连接于第一支撑台111上，其另一端支撑连接于第二支撑台121上，桥架板21上还装配有可绕C轴自由旋转的交叉轴环211；

一旋转板22，与上述A轴的轴线方向平行设置并且支撑连接于交叉轴环211的旋转端面上，旋转板22上还设置有轴套31，轴套31中设置有可绕C轴自由旋转的旋转轴承32；

一定位组件；

一压紧组件。

上述加工主轴可拆卸的连接有驱动销33，旋转轴承32平移移动至驱动销33的下方上移时时，驱动销33插设于旋转轴承32的中孔中。

    上述定位组件包括定位液压缸41、驱动连接于定位液压缸41的定位销42以及与定位销42相匹配的定位孔43，定位液压缸41和定位销42设置于桥架板21上，定位孔42开设于旋转板22上，在加工状态时，定位销42伸出桥架板21的上侧并且插设于定位孔43中，在旋转状态时，定位销42收纳在开设于桥架板21的收纳孔中。

上述夹具组件包括至少第一压板装置和第二压板装置，第一压板装置包括设置于旋转板22上的第一支撑座511、设置于第一支撑座511上的第一压紧液压缸512以及连接于第一压紧液压缸512的活塞杆上的第一压紧板513，第二压板装置包括设置于旋转板22上的第二支撑座521、设置于第二支撑座521上的第二压紧液压缸522以及连接于第二压紧液压缸522的活塞杆上的第二压紧板513。

定位液压缸41、第一压紧液压缸512和第二压紧液压缸522通过旋转油路分配器6连通至液压系统上。

第一压紧装置和第二压紧装置之间的旋转板上还设置支撑块7，支撑块7设置为至少两块并且至少其中一块上述支撑块设置为定位支撑块71。

为了不影响待加工零件的夹持和加工，上述夹具组件设置于旋转板22的中央部分，轴套31设置于旋转板22的边缘位置。

为了保证旋转板22被驱动旋转时不会受到过大的应力，驱动销33设置为弹性尼龙材质。

为了保证旋转板22旋转时的精度和连接刚性，交叉轴环211设置为交叉滚柱轴环。

为了增加B轴转台的旋转精度，上述A轴转台设置为液压马达驱动的第四轴旋转工作台，该第四轴旋转工作台设置有液压旋转分度盘。

为了使交叉轴环211的安装更加牢固和方便，桥架板21上设置有圆形的安装槽（图中未视出），该交叉轴环211装配于上述安装槽中且其旋转端面高出于旋转板22。

下面介绍本发明的工作过程：

第一步、将待加工零件置放于旋转板22的支撑块7上侧，并且通过定位支撑块71将其定位到正确的加工区域，通过上述夹具组件将待加工零件夹持固定；

第二步、将驱动销43从设备刀库调用装配于上述加工主轴上；

第三步、通过XYZ三轴移动平台移动AC转台结构，将旋转轴承42移动至上述驱动销的下方后上移，使驱动销与旋转轴承42连接；

第四步、通过XYZ三轴移动平台移动AC转台结构，使旋转板22在平移过程中进行旋转，实现待加工零件绕C轴方向的旋转，达到预设的旋转板22的角度；

第五步，将驱动销43从上述加工主轴上拆卸下来并调回设备刀库中；

第六步，通过A轴转台实现待加工零件绕A轴方向的旋转；

第七步，将加工刀具装配于上述加工主轴上，通过XYZ三轴移动待加工零件，对待加工零件进行加工。

根据实际工作需要，上述第七步之后还设置有第八步，将加工刀具从上述加工主轴上拆卸下来；上述第二步至第八步循环进行。

图2为桥架板0度，旋转板15度的结构示意图；

图3为桥架板90度，旋转板45度的结构示意图；

图4为桥架板-90度，旋转板45度的结构示意图。

以一款306热交换器零件为例，其加工面总共有11个，材料是AlSi7Mg，组芯浇铸。

采用旧的加工工艺：

前期加工工艺为三道工序，分别为：

OP1#:普通立加+第四转台，加工消音室一圈，加工时间为17分钟；

OP2#:普通立加+第四转台，加工垂直向一圈，加工时间为15分钟；

OP3#:普通立加+第四转台，加工斜面视窗位置，加工时间为6分钟；

共耗时：38分钟/件，加工费用为：76元/件。

新的加工工艺，采用准五轴液压夹具技术，工序由原先的3道降为目前的2道：

OP1#:普通立加+第四转台，加工消音室一周，加工时间15分钟；

OP2#:普通立加+第四转台+AC转台结构，加工其余所有尺寸，加工时间为：13分钟；

单件加工时间为：28分钟/件，加工成本为：56元/件。

通过采用准五轴加工中心技术，在加工306热交换器零件时，对工艺进行了优化调整，调整后的工艺，可以节省1台加工中心+第四液压转台，费用在110万 ，刀具可以节约1把5万元的角度头刀柄，1台节省下来的加工中心，在完成5万件306热交换器加工时间（（6 ÷60）×50000=5000H），可以创造的产值为：5000H ×120元/H=600000元；实现利润按35%计算：600000元 ×35%=21万元

306热交换器原加工工序时间分别为：17、15、6分钟。 

采用准五轴液压夹具技术，加工时间为：15、13分钟。 

该工序比原工艺加工时间缩短8分钟，单件成本节约:16元，该零件年需求量5万件，加工节约80万元(外协供应商根据内部加工时间，做了相应的加工降价调整，由76元/件调整到60元/件左右）。

在加工306热交换器这个产品上，采用新技术后，对于306热交换器所产生利润及节约的费用：80+110+5+21=216万元。

在目前开发加工的产品零件中，可以采用准五轴液压夹具新技术加工的零件有306、0607、883、299几类产品，根据市场部信息反馈，这些产品后期年需求量如下：

。

投入产出分析： 

。

加工成本及硬件投入节约: 

。

各产品加工，采用准五轴液压夹具技术生产加工，将节约加工成本及硬件投入费用总计：3405.82万元。

根据以上分析，对于多面零件加工，采用准五轴液压夹具技术，将普通立式加工中心，其加工能力提升到五轴加工功能，不仅硬件投入大幅降低，而且加工成本减少，提升了产品的市场竞争力，因此该技术市场前景广阔。

Claims (10)

1.一种准五轴加工中心，包括XYZ三轴移动平台、设置于所述XYZ三轴移动平台上的工作台、设置于所述工作台上的AC转台结构以及设置于所述AC转台结构上方的加工主轴，所述AC转台结构包括A轴转台和C轴转台，所述A轴转台包括设置于所述工作台上的头座和尾座，所述头座设置有第一支撑台和可驱动所述第一支撑台绕A轴旋转的驱动机构，所述尾座设置有可绕A轴自由旋转的第二支撑台，所述A轴的轴线方向与所述加工主轴垂直设置，其特征在于，所述C轴转台包括：

桥架板，其一端支撑连接于所述第一支撑台上，其另一端支撑连接于所述第二支撑台上，所述桥架板上还装配有可绕C轴自由旋转的交叉轴环；

旋转板，与所述A轴的轴线方向平行设置并且支撑连接于所述交叉轴环的旋转端面上，所述旋转板上还设置有轴套，所述轴套中设置有可绕C轴自由旋转的旋转轴承；

所述加工主轴可拆卸的连接有驱动销，所述旋转轴承平移移动至所述驱动销的下方后上移时，所述驱动销插设于所述旋转轴承的中孔中。

2.根据权利要求1所述的准五轴加工中心，其特征在于，所述轴套设置于所述旋转板的边缘位置。

3.根据权利要求1所述的准五轴加工中心，其特征在于，所述驱动销设置为弹性尼龙材质。

4.根据权利要求1所述的准五轴加工中心，其特征在于，所述交叉轴环设置为交叉滚柱轴环。

5.根据权利要求1所述的准五轴加工中心，其特征在于，所述C轴转台还包括定位组件，所述定位组件包括定位液压缸、驱动连接于所述定位液压缸的定位销以及与所述定位销相匹配的定位孔，所述定位液压缸和定位销设置于所述桥架板上，所述定位孔开设于所述旋转板上，在加工状态时，所述定位销伸出所述桥架板的上侧并且插设于所述定位孔中，在旋转状态时，所述定位销收纳在开设于所述桥架板的收纳孔中，所述定位液压缸通过旋转油路分配器连通至液压系统上。

6.根据权利要求1所述的准五轴加工中心，其特征在于，所述C轴转台还包括夹具组件，所述夹具组件包括至少两个压板装置，每个所述压板装置包括设置于所述旋转板上的支撑座、设置于所述支撑座上的压紧液压缸以及连接于所述压紧液压缸的活塞杆上的压紧板，所述压紧液压缸通过旋转油路分配器连通至液压系统上。

7.根据权利要求1所述的准五轴加工中心，其特征在于，所述A轴转台设置为液压马达驱动的第四轴旋转工作台，所述第四轴旋转工作台设置有液压旋转分度盘。

8.根据权利要求1所述的准五轴加工中心，其特征在于，所述桥架板上设置有圆形的安装槽，所述交叉轴环装配于所述安装槽中且其旋转端面高出于所述旋转板。

9.一种准五轴加工方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一所述的准五轴加工中心，包括如下步骤：

（1）、将待加工零件置放于所述旋转板上，并且将其定位并固定于设定的加工区域中；

（2）、将所述驱动销从设备刀库自动调用安装至所述加工主轴上；

（3）、通过所述XYZ三轴移动平台移动所述AC转台结构，使所述旋转轴承平移至所述驱动销的下方，再通过所述XYZ三轴移动平台移动所述AC转台结构，使所述旋转轴承上移至与所述驱动销套接连接；

（4）、通过所述XYZ三轴移动平台移动所述AC转台结构，使所述旋转板平移，进而进行旋转，实现待加工零件绕C轴方向的旋转；

（5）、将所述驱动销从所述加工主轴上调回设备刀库；

（6）、通过A轴转台实现待加工零件绕A轴方向的旋转；

（7）、将所述加工刀具装配于所述加工主轴上，通过XYZ三轴移动待加工零件，对所述待加工零件进行加工。

10.根据权利要求9所述的准五轴加工方法，其特征在于，所述步骤（7）之后还设置有步骤（8），所述步骤（8）为将所述加工刀具从所述加工主轴上拆卸下来，所述步骤（2）至所述步骤（8）循环进行。