模具行業五軸機床的應用越來越多。五軸機床的五個軸通常是由三個直線軸外加兩個回轉軸組成的，其結構方式卻有很大差別。不同的結構形式會使機床在剛性、動態性能和精度穩定性等方面產生一些差異。本文主要針對立式主軸擺動、立式主軸不動工作臺擺動（搖籃式）這兩種不同結構的五軸機床進行分析比較，以便用戶充分了解其結構形式，從而有利于其根據自己產品的特點和經濟能力挑選合適的機床。

頭擺機床的旋轉點和檢測中心是位于主軸上的，如圖1所示。而工作臺擺動機床的旋轉點和檢測中心位于機床的床身，圖2所示。

圖1 頭擺機床和工作臺擺動機床的旋轉點和檢測中心

圖2 頭擺機床和搖籃式工作臺擺動機床的檢測中心示意圖

 

這里以兩種機床旋轉軸旋轉90°加工同一個零件上的空間垂直孔為例，說明兩種機床的區別。

                       

圖3  此零件需要在兩個相鄰面上加工兩個相互垂直的通孔

 

1. 機床主軸剛性比較

頭擺機床在加工的過程中，由于主軸擺動，使得主軸的剛性相對差；而工作臺擺動機床，由于是工作臺擺動，所以不會對主軸的剛性產生任何影響。

2. 機床加工的效率對比

由于旋轉點的不同，刀尖實現同樣的位移時，頭擺機床的主軸需要擺動更大的角度（類似杠桿原理），所以加工同樣的零件，頭擺機床的效率更低。

3. 刀具長度對機床加工精度的影響

擺動誤差=擺臂×擺角

對頭擺機床來講，刀具長度是擺臂的一部分。

也就是說，在頭擺的情況下，刀具的長度影響擺臂長度，放大誤差。即誤差會隨刀具的長度增長而增大，如圖1所示。而如圖2所示，對于搖籃式工作臺擺動機床，刀具長度與擺臂的長度無關。頭擺機床和搖籃式工作臺擺動機床的加工誤差與刀具長度的關系在圖4和圖5中可以得到很明顯的展示。

圖4  頭擺機床中刀具長度與位置誤差的關系

 

圖5  搖籃式工作臺擺動機床長度與位置誤差的關系

 

4. 隨著擺動，兩種機床都會產生位置誤差，但是頭擺機床還會產生形狀誤差，而工作臺擺動則不會產生形狀誤差

頭擺機床刀具旋轉，從而產生位置誤差。與此同時，加工孔的進給方向和刀具的回轉中心發生偏離，情況如圖6所示，所以加工孔產生位置誤差的同時，還會產生形狀誤差，出現楔形孔。

圖6 頭擺機床在產生位置誤差的同時會產生形狀誤差

 

　　而工作臺擺動機床的位置誤差是由工作臺擺動造成，主軸的進給方向和刀具的旋轉中心始終重合，所以不會再附加產生形狀誤差。這是搖籃式工作臺擺動與頭擺相比另一個明顯的優勢。

　　

　　圖7  搖籃式工作臺擺動機床不產生形狀誤差

 

5. 五軸加工大小范圍的比較

    隨著頭擺機床主軸的擺動，工件直徑方向的加工范圍將會縮小，也就是說，主軸擺動角度時會吃掉行程，從而導致五軸加工所能加工最大工件的直徑范圍比其三軸加工時小；而工作臺擺動機床的工作臺擺動，對工件水平方向的尺寸不會產生任何影響，從這個意義上講，五軸加工和三軸加工時的工件大小范圍是相同的。但是五軸加工工件的最大范圍還需考慮機床結構引起的干涉。用戶應該要求機床供應商提供五軸加工干涉示意圖來分析比較。通常情況下，同樣的行程，采用搖籃式工作臺擺動結構的機床五軸加工范圍會比頭擺式機床更大。#p#分頁標題#e#

 

結論

　　搖籃式的工作臺擺動機床主軸的剛性好，加工效率高；刀具長度對加工精度不會產生影響；加工不會產生形狀誤差；同樣的行程，機床五軸加工范圍會比頭擺式機床更大。

　　頭擺機床主軸的剛性相對較差，加工效率相對較低；加工精度會隨刀具長度的增長而降低；加工會產生形狀誤差；主軸擺動角度時會吃掉行程，從而導致能夠加工的最大工件尺寸變小。

　　另外需要補充的是，工作臺擺動機床由于需要克服工件自重的原因，如果工件很重，對夾具有更高的要求；還有，加工大型重型零件時機床無法實現工作臺擺動，就只能采用頭擺的方式。