加工中心(三轴)最有效的加工面是工件的顶面,卧式加工中心借助回转工作台,只能够完成工件的四面加工。目前的加工中心正朝着五轴控制的方向发展,一次装夹就能完成五面体的加工，如果再配置上五轴联动的高档数控系统,还可以完成复杂空间曲面的高精度加工。
五轴加工中心模具雕刻示意图
一、立式五轴加工中心
这类加工中心的回转轴有两种方式,一种是工作台回转轴,它善于把工件细分成任意角度,加工出倾斜面、倾斜孔等。配置上高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持,便可以加工出复杂的空间曲面。其优点是主轴的结构比较简单,刚性也非常好,制造成本又低。但工作台一般不能设计太大,承重较小。
另一种是依靠立式主轴头的回转,主轴前端是一个回转头,这种设置方式优点在于主轴加工非常灵活,工作台也可以设计的非常大,巨大的发动机、壳客机庞大的机身等都可以在这类加工中心上加工。此类设计还有一大优点:当在使用球面铣刀加工曲面时,当刀具中心线与加工面垂直时,因为球面铣刀的顶点线速度是零,所以顶点切出的工件表面质量就会非常差,采用主轴回转,令主轴相对工件转过一个角度,使球面铣刀避开顶点切削,保证有一定的线速度,可提高表面加工质量。这种结构很受模具高精度曲面加工的欢迎,这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度,高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈,分度精度都在几秒以内,当然这类主轴的回转结构比较复杂,制造成本也较高。
立式加工中心的主轴重力向下,轴承高速空运转的径向受力是均等的,回转特性很好,因此可提高转速,一般高速可达1,2000r/min以上,实用的最高转速已达到4,0000转。主轴系统都配有循环冷却装置,循环冷却油带走高速回转产生的热量,通过制冷器降到合适的温度,再流回主轴统。
二、卧式五轴加工中心
此类加工中心的回转轴也分为两种形式,一种是卧式主轴摇摆动作为一个回转轴,再加上工作台的一个回转轴,实现五轴联动加工。这种方式既灵活又简便,工作台只需要分度定位,就可以简单地配置为立、卧转换的三轴加工中心,对工件实现五面体加工。制造成本低,又非常实用。也可以对工作台设置数控轴,最小分度值0。001度,但不作联动,成为立、卧转换的四轴加工中心,适应不同加工要求转换,价格非常具有竞争力。
另一种为传统的工作台回转轴,它的联动特性比第一种方式好,在加工大型叶轮的复杂曲面上应用广泛。回转轴也可配置圆光栅尺反馈,分度精度达到几秒,回转轴结构比较复杂,价格也比较高。
目前卧式加工中心工作台可以做到大于1。25m2,对第一种五轴设置方式没有什么影响。但是第二种五轴设置方式比较困难。卧式加工中心的主轴转速一般达到10,000rpm以上,由于卧式设置的主轴在径向有自重力,轴承高速空运转时径向受力不均匀,另外还要采用较大的BT50刀柄,最高可达20,000rpm。卧式加工中心快速进给达到30~60m/min以上,主轴电机功率22-40KW以上,刀库容量按需要可从40把增加到160把,加工能力远远超过一般立式加工中心,是重型机械加工的首选。
加工中心多数都可设计成双工作台交换,一个工作台在加工区内运行,另一工作台在加工区外用于更换工件,做下一个工件的准备工作,交换的时间按工作台大小,从几秒到几十秒都可完成。
加工中心的未来发展不可限量,过去五轴加工中心多为德国、意大利、美国、日本制造,但如今国内生产的五轴加工中心也广泛应用。这就预示着中国数控机床工业也达到了先进水平。现在加工中心逐渐成为机械加工业中最主要的设备,它加工范围广,使用量大。近年来在品种、性能、功能方面也大有发展。新型的立、卧五轴联动加工中心,可用于航空、航天零件加工;专用于模具加工的高性能加工中心,集成三维CAD/CAM对模具复杂的曲面超精加工;还有适用于摩托车、汽车大批量零件加工的高速加工中心,生产效率高且具备柔性化。目前的设备将通过网络与外界交换信息,获得最新的技术成果,人类的智慧将在高科技产品加工中心上得到充分展现。
