在现代工业加工中,机床五轴转台的应用越来越广泛,逐渐成为机械制造中必不可少的加工技术。由于被加工件装夹在机床的五轴转台上,在一次装夹中,五轴转台可以配合电主轴完成一个或多个曲面的连续加工和分段加工,以及多个不同方向上的平面加工。
运用五轴转台加工主要有以下三个优点:1.工件的装夹次数少了,节省了安装和拆卸时间,提高了加工效率。2.免去多次装夹校准的工序,既节省了校准的时问,同时也提高了零件的整体加工精度。3.现代工业的一些零件结构非常复杂,没有五轴联动是无法完成加工的。
五轴转台分为单臂五轴转台和摇篮五轴转台。单臂五轴转台的摆动轴是采用单侧旋转进给运动。由于摆动机体体积较小,长度较短,所以一般加工起来比较容易,在一般的卧式加工中心上就可完成加工。
摇篮五轴转台是采用摇篮式双摆结构的五轴转台,采用两侧旋转进给运动。转台两侧有两个同步运动的旋转进给轴,被称作A轴或摆动轴。
中间带有回转盘的中间轴被称为C轴或旋转轴。这两个轴都可以连续分度和连续进给并且可以联动控制。其中,旋转轴可以在360°范围内任意旋转进给运动。而摆动轴只可以在一定的角度范围内摆动(比如在土110°范围内)。
为了提高转台的精度,转台旋转轴C轴和摆动轴A轴都采用力矩电机直接驱动,消除了中间传动环节带来的弹性变形、反向问隙等。
摇篮机体是影响五轴转台精度的主要零件,一般采用灰口铸铁铸造,一次成型,提高了支撑刚性,减小机体的变形。摇篮机体在卧式加工中心加工到需要的尺寸和精虚,可以保证转台的运转精度。
但目前普遍存在的问题是摇篮五轴的机体,尤其大型摇篮五轴转台的摇篮机体(如盘而直径320mm,400mm、500mm、600 mm的摇篮转台)。
由于其体积较大,需要用到大型的卧式加工中心机床。而市面上拥有这种大型卧式加工中心的厂家又比较少,所以机体的加工就成为一个难题。
因为机体的关键装配部位,对整机的装配精度影响比较大,所以对这些部位的加工精度要求就比较高。

如图1、图2所示,左右两侧挂耳的沉孔圆A和B,要求同轴度≤0.01mm,否则,摆动的时候会因为左右两侧不同轴而吃力,且摆动的误差大。
A和B的同心轴线与内孔C的轴线的垂直度要求≤0.02mm)。由于尺寸过大的原因,所以加工难度比较大,精度不易保证。
1.分体式摇篮机体的优化设计
针对市面上一体化摇篮机体加工难度大、精度不易保证的问题,经过研究,哈米吉机床设计采用把摇篮机体拆分成如图3、图4所示形状,然后再组合的方式。
这样对于每一个单独的部分,体积小了,加工难度也降低了,在一般的小型卧式加工中心就可以完成加工,无需大型卧式加工中心。只需要根据装配要求保证分体件相关配合面的精度要求即可。


2.分体式摇篮机体的装配要求
如图3所示的圆筒机体和图4所示的挂耳机体圆筒机体两侧的内腔表面F与挂耳机体的D面和E面为安装配合面。
设定好相关的尺寸和形位公差,装配时,挂耳机体的D、E面与圆筒机体的两侧内腔配合,并通过螺钉固定钡紧,就可以装配成如图5所示的整体结构。根据事先确定好的尺寸和公差,可以保证装配后,两侧的A、B止口圆的同轴度以及AB轴线和C轴线的垂直交叉。
这种结构,由原来的一个大机体优化成3个小机体组合的方式,降低了加工难度。原来的只有在大型卧式加工中心才能加工的情况,通过优化后,3个拆分的小机体在一般的小型卧式加工中心也可以完成加工,然后组装成一个大的摇篮机体。

3.受力仿真分析对比
由于该零件结构形状并不规则,没有现成的经验公式来进行强座校核,因此利用三维设计较件Solid-Works 设计该零件,然后对该零件进行了静力学仿真分析,根据分析结果来指导设计工作。
对机体优化前后进行受力变形的仿真分析,观察形变情况。机体结构优化前,两端安装位固定,中间圆筒部分,上部环形平面均匀加载1000N的垂直向下的力,产生的变形如图6所示。
可见形变最大处位于中部底端,变形量为0.00867mm。机体结构优化后同样的两端安装位固定,中间圆筒部分,上部环形平面均匀加载1000N的垂直向下的力,产生的变形如图7所示。变形最大的还是中间底部,变形量为0.0095mm。

优化前后最大变形量对比为0.0095mm 0.00867mm0.00083mm。可见,优化前后,机体的形变差异只有近1微米的变化,微乎其微,完全可以忽略。
综上所述,优化后,摇篮机体的强度完全满足使用要求。这种结构符合产品的标准化和模块化设计。两侧的挂耳机体可以做成通用件,可以匹配不同规格的中间的圆筒机体。
大小不同型号的摇篮,只需要把中问圆筒机体部分更换,即可实现由一种规格的描篇五轴变成另一种规格的摇篮五轴。这就减少了五轴转台产品族中摇篮机体的种类,降低了五轴转台的生产成本。
悬挂机体部分可以批量备货,客户对哪一款有需求,只需要选好对应的圆简机体就可以快速组装成型,提高了出机效率。
