五轴义齿数字化雕铣机机械结构设计.docx

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1、摘要：针对义齿加工高效、精确的功能需求，设计了一种满足医学口腔修复领域专用的五轴义齿数字化雕铳机。采用功能分析方法，对义齿加工特点进行研究，明确义齿雕铳机需具备的功能，对雕铳机的整体结构进行设计。为了满足多维度、高精度的义齿加工需求，设计了相应的进给结构。系统精度测试结果表明，该雕铳机达到了高效、精确加工义齿的功能要求。关键词：义齿；五轴雕铳机；数控机床；高速切削O引言目前口腔修复用义齿的传统制造一般采用手工、铸造等加工方法，这些方法加工效率低下、工艺过程烦琐、周期长、精度低，无法满足义齿的高效加工需求和患者的个性化需求。随着口腔修复CAD/CAM系统的引入，高速数控加工成了义齿制作的发展方向

2、，数控加工具有精度高、周期短、直接成形、人工参与程度低等特点，在义齿修复领域得到了广泛应用。CAD/CAM方法制作义齿的材料主要有钛合金、氧化钻等高硬度加工材料。人的牙齿表面由沟、尖、窝等典型特征形态构成，采用一般数控技术加工类似人牙齿表面的薄壁件存在一些问题。而运用高性能的高速加工机床，选用适合高速加工用的刀具，对义齿进行快速加工，其优势十分明显。在个性化数字建模的基础上，快速制作复杂牙齿的修复体，研发面向口腔修复专用的小型精密齿科修复数字化医疗设备的需求日益凸显。本文基于义齿加工这一独特应用需求的分析，对义齿加工机床的传动系统、进给系统等关键结构进行了设计，研发出了一款满足加工需求且结构新

3、颖的五轴联动义齿雕铳机，其主轴最高转速为60000rmin,定位精度可达6mo1义齿雕铳机功能分析本文所研究的义齿雕铳机主要用于加工医用的可切削陶瓷材料，加工出的陶瓷修复体经过高温烧结后可以直接给患者佩戴。因为所需加工的修复体形状复杂，且上下两面均需加工，所以本设计从义齿加工这一应用功能需求出发，研发了一种3个移动轴（X轴、y轴、Z轴）和2个旋转轴（力轴为夹具的旋转轴，8轴为料盘的摆动轴）联动的五轴义齿雕铳机，能自动、连续地加工出形状特异的义齿，如图1所示。五轴义齿雕铳机功能需求模型如图2所示。I按要求完成工件切削I_zIJJ1加削工件m铉装（曲）（自晒（）（辅助功能111J：r11XII恒（

4、驱动力）（存储刀具）修Tlr作）IX向进给I1向进给IIZ向进给jIA向进给）IB向进给I1AXX（e（扁）（I图2五轴义齿雕铳机功能需求模型2 五轴义齿雕铳机结构设计五轴义齿雕铳机机械结构设计应满足非移动部件刚性好以及移动部件在保证其具有良好刚性的前提下，尽可能轻巧、灵活性好的要求。其总体结构布局如图3所示。I一机柒：2一工作台：3夹具：4主轴：5送转刀库：6导轨：7滑块：8一冷砸箱：9一空压机：13控制器：14吸尘管：16负压风机；19红外测温仪.图3五轴义齿雕铳机总体结构布局机架采用了龙门架式铳床结构，并设计了较宽的立柱和横梁，以增强雕铳机的稳定性。为确保较大的驱动力矩和制动力矩，尽量加

5、宽KKZ三向的两根直线滚动导轨之间的跨距，从整体布局上保证了机床的刚性。为有效提高床身的结构强度和刚性，雕铳机床身底座采用具有良好的稳定性、吸振性和耐冲击性的孕育铸铁铸造而成，内部筋板使用米子筋配合的网状结构，确保对y轴工作台和立柱的刚性支撑，保证机床动态加工时其稳定性处于最佳状态。在五轴义齿雕铳机上设置空压机、冷却液箱，空压机通过真空发生器、电动调压阀后与万向冷却液管相连，真空发生器的低压介质进口通过电动开关阀与冷却液箱相连，这样能够通过控制器控制，根据所加工的义齿材料，选择相应的冷却方式，并配合旋转刀库，一台设备能适用于所有常用的义齿加工材料；在加工过程中，五轴义齿雕铳机能够对刀具进行充分

6、冷却，确保加工精度，延长刀具使用寿命，并降低刀具打磨、维护的频次。因此，本文所设计的五轴义齿雕铳机具有适用范围广、加工精度高、维护成本低的特点。3 五轴义齿雕铳机电主轴传动系统设计对于义齿加工而言，其尺寸较小，导致加工时采用的刀具尺寸也受到相应制约。为了提高义齿加工效率，同时减少刀具磨损，要求主轴具有很高的转速和切削精度。雕铳机结构高度集成化，采用电主轴作为装备的切削执行部件。电主轴选型计算如下：(1)极限切削力：通过前期大量针对义齿材料的铳削实验，极限切削力KV50No(2)所需主轴切削扭矩:“F.d502Mz=r2x102103=0.05Nm(1)式中：d为刀具直径（InIn）。（3）所需

7、主轴切削功率:7lKv103=502.1103=0.105IHz(2)r/min时的线式中：P为切削线速度（ms）,主轴转速为20000速度值为2.l103m/so结合上述要求，所选电主轴实物如图4所示，相关技术参数如表1所示。图4电主轴实物表1电主轴技术参数一览表用途铳削、钻削、磨削轴承润滑方式自润滑外径mm33径向跳动/上典X*;IO一拉杆电机.图5进飨系统蛤构示意图雕铳机采用5轴联动工作，主轴电机功率4kW,主轴最大转速能达到60000rminoX轴、JZ轴、Z轴最大运行速度均能达到15mmin,最高定位精度为6m,内置刀具12把，能进行义齿加工，对于氧化错等义齿材料可进行高速切削，样机

8、如图6所示。图6五轴义齿雕铳机样机为检验机床定位精度，采用英国产RenishawX1.-80激光干涉仪进行测量。选取一台BM-520W型义齿雕铳机测量其1轴定位精度，让其在正常工作速度下运行磨合0.5h,安装一台ReniShaWX1.-80激光干涉仪,将温度补偿系统的温度传感器调整到合适位置，通过调整激光头位置，确保反射光光强符合监测要求，激光干涉仪归零后进行数据测量，测量方法为等间距（间距值为40mm）测量法，误差补偿为增量型补偿。激光干涉仪测试精度现场如图7所示。图7激光干涉仪测试精度现场利用ReniShaWX1.-80激光干涉仪测试其定位精度，补偿前定位精度数据是30.420m,如图8所示。补偿后定位精度数据为5.102m,如图9所示，满足精度设计要求。三三三图9补偿后定位精度6结语本文针对义齿沟、尖、窝等典型形态的特殊加工需求，研制出了一种五轴义齿数字化雕铳机，其龙门架式的铳床结构设计，保证了设备工作时的高稳定性；进给结构设计，确保雕铳机可多维度、高精度加工义齿。系统精度测试结果表明，该五轴义齿雕铳机具有定位精度高和刚性好的特点，验证了所研制的五轴义齿雕铳机满足高效、精确加工义齿的设计需求。