精密数控机床的工作结构型式及加工设备原理

精密数控机床的工作结构型式及加工设备原理

精密数控机床是现代制造业中不可或缺的关键设备，其结构型式和工作原理直接影响着加工效率和产品质量。本文将详细介绍精密数控机床的主要工作结构型式，包括多任务机床、5轴控制加工中心、数控车床式多任务机床等，并对其优点进行阐述。此外，还将介绍电火花放电加工机、电火花线切割机和激光加工机的工作原理和应用。

多任务机床

多任务机床是一种集成了加工中心和车削中心功能的设备，能够同时控制3个直轴和2个旋转轴，适用于加工复杂形状的零件。根据功能不同，可分为加工中心型和NC车床型两种类型。近年来，多任务机床的功能进一步扩展，除了传统的车床和铣削操作外，还增加了磨削、激光加工和增材制造等功能。

5轴控制加工中心

在3轴控制加工中心的基础上增加2个旋转轴，就形成了5轴控制加工中心。其中，转台的C轴具有高速旋转功能，是加工中心式多任务机床的重要组成部分。

图48：5轴控制加工中心

数控车床式多任务机床

这种机床的铣削能力与车削中心上的加工中心相当，通常配备有刀库和自动换刀装置。

图49：数控车床式多任务机床

多任务机床的优点

工艺整合，降低人工成本

与使用多台机器制造成品相比，多任务加工机床不需要在工序间转换，减少了工件的安装、拆卸和搬运工作，从而减轻了工人的负担。例如，使用5轴控制多任务机床加工同一零件时，可以减少两次转换（见图50）。

图50：3轴和5轴控制器之间的加工过程比较（注：原文未提供图片，此处描述仅供参考）

高品质

5轴控制机床可以在一次装夹中完成所有加工，避免了多次装夹带来的误差，从而保持了成品的精度。

节省空间

由于不需要多台专用机床，多任务机床可以有效利用工厂空间。

短切削刀具悬伸

在5轴控制加工中，可以通过倾斜切削刀具或工件来实现短悬伸量加工，提高加工精度，避免二次加工。

刀具加工位置可选

5轴加工机床可以自由改变切削刀具的倾斜角度，通过调整圆周速度，确保刀片在需要加工的部位进行有效切削。

放电加工机

电火花放电加工机

电火花放电加工是通过在电极和工件之间产生脉冲放电，利用放电产生的热量熔化工件材料，再通过加工液将熔化的材料冲走，从而实现材料去除的加工方法。这种加工方式特别适合加工难以用传统切削方法加工的材料。

图53：电火花成形机床及其加工（工件：太阳能放电行业）

电火花线切割机

电火花线切割是利用铜线等导电材料作为电极，通过放电来切割材料。加工过程中，工作台（加工液罐）在NC控制下移动，使线材逐渐靠近工件，当间隙达到几十微米时，开始连续放电切割。一些线切割机还具有“U-V轴控制”功能，可以加工倾斜表面。

图54：电火花线切割机及其加工

激光加工机

激光加工是利用高能量密度的激光束对材料进行局部加热，实现钻孔、切割等加工。激光加工具有非接触式加工的特点，不会造成工具磨损。

二氧化碳激光加工机

二氧化碳激光加工机主要由激光振荡器、聚光器系统和X-Y轴驱动系统组成。加工过程中，通过辅助气体（氧气或氮气）去除被激光熔化的金属。

图55：二氧化碳激光加工机概述

激光产生的原理

在二氧化碳等激光介质中，通过施加外部能量使原子和分子处于高能状态，随后释放多余能量并恢复到低能状态。在这一过程中，平行于玻璃管轴线的特定波长的光被反射镜反射和放大，最终形成激光束。

图56：激光介质中原子和分子的能量状态

图57：二氧化碳激光产生的机理（Laserworks公司）

目前，二氧化碳激光器和光纤激光器是常用的激光加工设备。光纤激光器的原理与二氧化碳激光器类似，只是激光介质为光纤，使用半导体激光器作为外部能量源。