五轴数控机床全面介绍

五轴数控机床

五轴数控机床五轴数控机床之概论1五轴数控机床之五轴2五轴数控机床之结构3五轴数控加工之应用4五轴数控机床之概论机床是一个国家制造业水平的象征。而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，它反映了一个国家的工业发展水平状况。长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度。特别是冷战时期，对中国、前苏联等社会主义阵营实行封锁禁运。“东芝事件”：上世纪末，日本东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床，结果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几个档次，使美国间谍船的声纳监听不到潜艇的声音了，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，要惩处东芝公司。加工中心综合加工能力强，工件一次装夹后能完成较多的加工内容，加工精度较高，就中等加工难度的批量零件，其效率是普通机床的5至10倍，特别是它能完成许多普通机床不能完成的加工对形状复杂，精度要求高的单价或小批量多品种生产中更为适用。在现代制造业中，精密机械加工日趋普遍。实现精密加工的高档数控机床、模具处于制造业产业链的最前端，而模具产品质量的高低在很大程度上又受制于数控设备。在激烈的市场竞争中，制造业要求更短的生产周期、更高的加工质量以及更快的产品改型加工适应能力和更低的制造技术。要满足这些条件，越来越多的制造企业采用了高端的数控加工机床—四轴加工机床和五轴加工机床。我们知道，三轴机床只有三根正交的运动轴（通常定义为X、Y、Z轴），只能实现三个方向的直线移动自由度。因此，沿加工刀轴方向的结构都能加工出来。侧面结构特征无法加工。（三轴机床要通过设计多套夹具，进行多次安装、定位、夹紧，将整体加工进行分解，加工周期延长，质量大大降低。）不受约束的刀具（或工件）在空间有六个自由度。现实是，在金属切削过程中，工件与刀具之间会产生巨大的切削力和摩擦力，为了防止工件的位置移动，必须将工件夹紧，使之固定。五轴数控加工就是指在一台机床上至少有5个坐标轴（三个直线坐标和两个旋转坐标），而且可在计算机数控系统控制下同时协调运动进行加工。五轴数控机床之概论五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。它是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲面的机床，该机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业有着举足轻重的影响力。叶轮既指装有动叶的轮盘，是冲动式汽轮机转子的组成部分。又指轮盘与安装其上的转动叶片的总称。汽轮发电机(英语：steamturbinegenerator)是指用汽轮机驱动的发电机。由锅炉产生的过热蒸汽进入汽轮机内膨胀做功，使叶片转动而带动发电机发电，做功后的废汽经凝汽器、循环水泵、凝结水泵、给水加热装置等送回锅炉循环使用。五轴数控机床之概论叶轮船用螺旋桨大型柴油机曲轴标准的坐标系统，是一个右手笛卡尔坐标系统。基本坐标轴为X、Y、Z三根直线轴，对应每一根直线轴的旋转轴分别用A、B、C轴来表示。图示五轴数控机床之五轴五轴数控加工就是指在一台机床上至少有5个坐标轴（三个直线坐标和两个旋转坐标），而且可在计算机数控系统控制下同时协调运动进行加工。数控机床的轴意思就是运动轴，其实也算是空间的坐标轴，如坐标的XY轴，没有运动轴有独立的控制器和电机驱动系统。即数控机床有5个伺服轴(不包括主轴)可以同时进行插补(5个伺服轴可以同一时间同时移动进行对一个零件进行加工)。五轴数控机床之五轴五轴数控机床有多种不同的结构形式，主要分为以下三大类：工作台倾斜型、主轴倾斜型和工作台/主轴倾斜型五轴加工机床。五轴数控机床之结构五轴数控机床TextTextText主轴倾斜型工作台倾斜型工作台/主轴倾斜型一种是工作台倾斜型。设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，在图示的位置上环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。五轴数控机床之工作台倾斜型五轴数控机床之工作台倾斜型立式加工中心五轴数控机床之工作台倾斜型五轴数控机床之工作台倾斜型五轴数控机床之主轴倾斜型主轴倾斜型。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还有带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点：我们在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，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。这种结构非常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。五轴数控机床之主轴倾斜型五轴数控机床之主轴倾斜型五轴数控机床之工作台/主轴倾斜型一个旋转轴在主轴头的刀具侧，另一个在工作台侧。这类机床的旋转轴结构布置有最大的灵活性，可以是在A.B.C轴中任意两个组合。大部分工作台/主轴倾斜型的旋转轴配置形式是B轴与工作台绕C轴组合。这种结构设置方式简单、灵活，同时具备主轴倾斜型与工作台倾斜型机床的部分有点。这类机床的主轴可以旋转为水平状态和垂直状态，工作台只需分度定位，即可简单的配置为立、卧转换的三轴加工中心，将主轴进行立、卧转换再配合工作台分度，对工件实现五面体加工，制造成本低，且非常实用。五轴数控机床之工作台/主轴倾斜型五轴数控加工之应用箱体类零件复杂曲面异形件盘套板类零件特殊加工加工对象五轴联动加工中心适合加工复杂、工序多、要求高、需要多种类型的普通机床和众多刀具夹具，且经多次装夹和调整才能完成加工的零件。五轴数控加工之应用箱体类零件一般都需要进行多工位孔隙及平面加工，公差要求较高，特别是形位公差要求较为严格，通常需要经过铣、钻、扩、镗、铰、攻丝等工序，需要刀具较多，在普通机床上加工难度大，需多次装夹、找正，加工精度难以保证。加工箱体类零件时需要工作台多次旋转加工水平方向四个面，用卧式加工中心合适。五轴数控加工之应用复杂曲面在机械制造业，特别是航空航天工业中占有重要的地位。复杂曲面采用普通机加工方法是难以甚至无法完成。复杂曲面零件如：各种叶轮、球面、各种曲面成型磨具、螺旋桨以及水下航行器的推进器、以及一些其他形状的自由曲面。这类零件用五轴加工中心最为合适。铣刀作包络面来逼近球面。复杂曲面用加工中心加工时，编程工作量较大，大多数要有自动编程技术。

五轴数控加工之应用异形件是外形不规则的零件，大都需要点、线、面多工位混合加工。异形件的刚性一般较差，夹压变形难以控制，加工精度也难以保证，甚至某些零件的有的加工部位用普通机床难以完成。用加工中心加工时应采用合理的工艺措施，一次或二次装夹，利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，完成多道工序或全部的工序内容。五轴数控加工之应用盘套板类零件带有键槽，或径向孔，或端面有分布的孔系，曲面的盘套或轴类零件，如带法兰的轴套，带键槽或方头的轴类零件等，还有具有较多孔加工的板类零件，如各种电机盖等。端面有分布孔系、曲面的盘类零件宜选择立式加工中心，有径向孔的可选卧式加工中心。五轴数控加工之应用特殊加工在熟练掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工装和专用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工艺工作，如在金属表面上刻字、刻线、刻图案；在加工中心的主轴上装上高频电火花电源，可对金属表面进行线扫描表面淬火；用加工中心装上高速磨头，可实现小模数渐开线圆锥齿轮磨削及各种曲线、曲面的磨削等。ThankYou!附录资料：不需要的可以自行删除2023/3/22甲醇合成工艺介绍一、课题的研究背景和意义甲醇是一种具有多种用途的基本有机化工产品，除了在化工方面的多种应用外，它还可以作为清洁燃料在汽车中代替汽油或与汽油掺混使用，以甲醇为燃料的燃料电池也即将投入商业运行。另外，甲醇在变压吸附制氢中作为裂解原料也得到了初步利用。另一方面，用甲醇制取微生物蛋白(SCP)作为饲料乃至食品添加剂有着巨大的市场潜力。二、甲醇的合成方法及流程

（1）木材干馏法

在1924年以前，甲醇几乎全部是用木材分解干馏来生产的。甲醇的世界产量当时只有4500t。用60－100kg木材干馏只能获得约1kg的甲醇，1m3白桦木只能制得5－6kg的甲醇，而1m3的针叶树木只能得到2－3kg的甲醇。这种“森林化学”的甲醇含有丙酮和其他杂质，要从甲醇中除去这些杂质比较困难。由于甲醇的需要量与日俱增，木材干馏法不能满足需要。因此人们开始采用化学合成的方法生产甲醇。（2）气相合成甲醇法气相合成甲醇的主要反应式为：CO+2H2＝CH3OH(g) △H=-90.8kJ/mol①当有CO2存在时，CO2按下列反应生成甲醇：CO2+H2＝CO+H2O(g) △H=+41.3kJ/mol ②CO+2H2＝CH3OH(g) △H=-90.8kJ/mol ③上述②、③两步的总反应式为：CO2+3H2＝CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49.5kJ/mol副反应产物：成烃、高碳醇、醚、醛、酸、酯及单质碳等；反应特点：强放热反应；

以甲烷或者一氧化碳与氢气的混合气为原料气合成甲醇的方法有高压、中压和低压三种方法。高压法：即用二氧化碳与氢在高温（340－420℃）高压（30.0－50.0MPa）下用锌-铬氧化物催化剂合成甲醇。用此法生产甲醇已有七十多年的历史，这是八十年代以前世界各国生产甲醇的主要方法。高压法合成甲醇由于操作压力高，动力消耗大，设备复杂，产品质量差等缺点正在逐渐淘汰。2023/3/22高压法(25MPa~32MPa）甲醇合成工艺流程低压法：

即用一氧化碳与氢气为原料在低压（5.0MPa）和275℃左右的温度下，采用铜基催化剂（Cu-Zn-Cr）合成甲醇。低压法成功的关键是采用了铜基催化剂，它的活性和选择性比锌-铬催化剂活性好得多，使甲醇合成反应能在较低的压力和温度下进行。因此，消耗在副反应中原料气和粗甲醇中的杂质都比较少。低压法合成工艺主要有英国帝国化学公司（ICI）和德国鲁奇（Lurqi）的工艺

2023/3/22ICI法低压甲醇合成工艺流程

工艺流程特点：相对低的温度和压力下操作，节省能耗，同时抑制甲烷化反应及其他副反应；采用多段冷激式合成塔，结构简单，催化剂装卸方便，使用寿命长。

2023/3/22第二章液体燃料及其添加剂34ICI多段冷激型甲醇合成反应器ICI多段冷激塔结构特点：反应床层由若干绝热段组成，两段之间通入冷的原料气，使反应气体冷却，以使各段的温度维持在一定值；塔体是空筒，塔内无催化剂筐，催化剂不分层，由惰性材料支撑，冷激气体喷管直接插入床层，并有特殊设计的菱形冷却气体分布器；优点：单塔操作能力大，控温方便，冷激采用菱形分布器专利技术，催化剂层上下贯通，装卸方便，易于放大，目前普通塔的容量为2300t/d，高空隙率塔的容量达7600t/d；缺点：催化剂床层温差较大（轴向：～70℃，径向：～23℃）、有部分气体与未反应气体之间的返混、催化剂时空产率不高，用量较大、单程转化率较低（仅为15%～20%）。ICI多段冷激型甲醇合成反应器

2023/3/22Lurgi法低压甲醇合成工艺流程

2023/3/22第二章液体燃料及其添加剂36Lurgi管壳型甲醇合成反应器结构特点：形似列管式换热器，在塔内，列管中装填催化剂，管间为沸腾水；原料气与出塔气换热至230℃左右进入合成塔，反应放出的热经管壁传给管间的沸腾水，产生4MPa左右的饱和蒸汽，用来驱动透平压缩机。合成塔全系统的温度条件用蒸汽压来控制，从而保证催化剂床层大致为等温。优点：催化剂床层温差较小、单程转化率较高（可达50%）、催化剂使用寿命较长（4年～5年）、热能利用合理、设备紧凑，开停车方便，合成反应过程中副反应少，甲醇质量高。缺点：结构复杂、制作较困难、材料要求高、放大较困难。经典管壳塔的最大生产能力（经济型塔）为1500t/d。全世界现有Lurgi装置37套，甲醇总生产能力达1600万t/a以上。中压法：

中压法是在低压法研究基础上进一步发展起来的，由于低压法操作压力低，导致设备体积相当庞大，不利于甲醇生产的大型化。因此发展了压力为10MPa左右的甲醇中压合成法。它能更有效的降低建厂费用和甲醇生产成本。中压法的操作压力范围为一般为10~27MPa，温度为235~315℃。该法的关键在于使用了一种新型铜基催化剂（Cu-Zn-Al），综合利用指标要比低压法更好。中压法合成甲醇工艺流程

以上三种方法的流程基本相同。但所使用的催化剂不同，因而操作压力和操作温度等级不同，反应器的结构也就有所不同。从合成反应理论上讲，提高压力对合成反应有利，但在高活性铜基催化剂研制成功后，降低合成压力就