五軸義齒數(shù)字化雕銑機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

林麗君 李儉 袁德鋒 鄭開(kāi)彬 劉帥

摘要：針對(duì)義齒加工高效、精確的功能需求，設(shè)計(jì)了一種滿足醫(yī)學(xué)口腔修復(fù)領(lǐng)域?qū)Ｓ玫奈遢S義齒數(shù)字化雕銑機(jī)。采用功能分析方法，對(duì)義齒加工特點(diǎn)進(jìn)行研究，明確義齒雕銑機(jī)需具備的功能，對(duì)雕銑機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了滿足多維度、高精度的義齒加工需求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的進(jìn)給結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)精度測(cè)試結(jié)果表明，該雕銑機(jī)達(dá)到了高效、精確加工義齒的功能要求。

關(guān)鍵詞：義齒;五軸雕銑機(jī);數(shù)控機(jī)床;高速切削

0 引言

目前口腔修復(fù)用義齒的傳統(tǒng)制造一般采用手工、鑄造等加工方法，這些方法加工效率低下、工藝過(guò)程煩瑣、周期長(zhǎng)、精度低，無(wú)法滿足義齒的高效加工需求和患者的個(gè)性化需求[1-2]。隨著口腔修復(fù)CAD/CAM系統(tǒng)的引入，高速數(shù)控加工成了義齒制作的發(fā)展方向，數(shù)控加工具有精度高、周期短、直接成形、人工參與程度低等特點(diǎn)，在義齒修復(fù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。CAD/CAM方法制作義齒的材料主要有鈦合金、氧化鋯等高硬度加工材料。人的牙齒表面由溝、尖、窩等典型特征形態(tài)構(gòu)成，采用一般數(shù)控技術(shù)加工類(lèi)似人牙齒表面的薄壁件存在一些問(wèn)題[3-4]。而運(yùn)用高性能的高速加工機(jī)床，選用適合高速加工用的刀具，對(duì)義齒進(jìn)行快速加工，其優(yōu)勢(shì)十分明顯。在個(gè)性化數(shù)字建模的基礎(chǔ)上，快速制作復(fù)雜牙齒的修復(fù)體，研發(fā)面向口腔修復(fù)專用的小型精密齒科修復(fù)數(shù)字化醫(yī)療設(shè)備的需求日益凸顯。

本文基于義齒加工這一獨(dú)特應(yīng)用需求的分析，對(duì)義齒加工機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，研發(fā)出了一款滿足加工需求且結(jié)構(gòu)新穎的五軸聯(lián)動(dòng)義齒雕銑機(jī)，其主軸最高轉(zhuǎn)速為60 000 r/min，定位精度可達(dá)6 μm。

1 義齒雕銑機(jī)功能分析

本文所研究的義齒雕銑機(jī)主要用于加工醫(yī)用的可切削陶瓷材料，加工出的陶瓷修復(fù)體經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)后可以直接給患者佩戴。因?yàn)樗杓庸さ男迯?fù)體形狀復(fù)雜，且上下兩面均需加工，所以本設(shè)計(jì)從義齒加工這一應(yīng)用功能需求出發(fā)，研發(fā)了一種3個(gè)移動(dòng)軸（X軸、Y軸、Z軸）和2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（A軸為夾具的旋轉(zhuǎn)軸，B軸為料盤(pán)的擺動(dòng)軸）聯(lián)動(dòng)的五軸義齒雕銑機(jī)，能自動(dòng)、連續(xù)地加工出形狀特異的義齒，如圖1所示。五軸義齒雕銑機(jī)功能需求模型如圖2所示。

2 五軸義齒雕銑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

五軸義齒雕銑機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足非移動(dòng)部件剛性好以及移動(dòng)部件在保證其具有良好剛性的前提下，盡可能輕巧、靈活性好的要求。其總體結(jié)構(gòu)布局如圖3所示。

機(jī)架采用了龍門(mén)架式銑床結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了較寬的立柱和橫梁，以增強(qiáng)雕銑機(jī)的穩(wěn)定性。為確保較大的驅(qū)動(dòng)力矩和制動(dòng)力矩，盡量加寬X、Y、Z三向的兩根直線滾動(dòng)導(dǎo)軌之間的跨距，從整體布局上保證了機(jī)床的剛性。為有效提高床身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性，雕銑機(jī)床身底座采用具有良好的穩(wěn)定性、吸振性和耐沖擊性的孕育鑄鐵鑄造而成，內(nèi)部筋板使用米子筋配合的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，確保對(duì)Y軸工作臺(tái)和立柱的剛性支撐，保證機(jī)床動(dòng)態(tài)加工時(shí)其穩(wěn)定性處于最佳狀態(tài)。

在五軸義齒雕銑機(jī)上設(shè)置空壓機(jī)、冷卻液箱，空壓機(jī)通過(guò)真空發(fā)生器、電動(dòng)調(diào)壓閥后與萬(wàn)向冷卻液管相連，真空發(fā)生器的低壓介質(zhì)進(jìn)口通過(guò)電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥與冷卻液箱相連，這樣能夠通過(guò)控制器控制，根據(jù)所加工的義齒材料，選擇相應(yīng)的冷卻方式，并配合旋轉(zhuǎn)刀庫(kù)，一臺(tái)設(shè)備能適用于所有常用的義齒加工材料;在加工過(guò)程中，五軸義齒雕銑機(jī)能夠?qū)Φ毒哌M(jìn)行充分冷卻，確保加工精度，延長(zhǎng)刀具使用壽命，并降低刀具打磨、維護(hù)的頻次。因此，本文所設(shè)計(jì)的五軸義齒雕銑機(jī)具有適用范圍廣、加工精度高、維護(hù)成本低的特點(diǎn)。

3 五軸義齒雕銑機(jī)電主軸傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于義齒加工而言，其尺寸較小，導(dǎo)致加工時(shí)采用的刀具尺寸也受到相應(yīng)制約。為了提高義齒加工效率，同時(shí)減少刀具磨損，要求主軸具有很高的轉(zhuǎn)速和切削精度。雕銑機(jī)結(jié)構(gòu)高度集成化，采用電主軸作為裝備的切削執(zhí)行部件[5]。

電主軸選型計(jì)算如下：

（1）極限切削力：通過(guò)前期大量針對(duì)義齒材料的銑削實(shí)驗(yàn)，極限切削力Fz<50 N。

（2）所需主軸切削扭矩：

（3）所需主軸切削功率：

式中：v為切削線速度（m/s），主軸轉(zhuǎn)速為20 000 r/min時(shí)的線速度值為2.1×10-3 m/s。

結(jié)合上述要求，所選電主軸實(shí)物如圖4所示，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

4 五軸義齒雕銑機(jī)進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

瓷塊加工過(guò)程中，對(duì)主軸的速度及刀具的進(jìn)給量大小要求非常高，并且因?yàn)檠揽频胥娂庸ちx齒形狀不規(guī)則，需要從不同角度對(duì)瓷塊進(jìn)行加工，對(duì)雕銑機(jī)上主軸的傳動(dòng)和位移的精度要求也非常高?，F(xiàn)有的傳動(dòng)、位移系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝置笨重，占用空間較大。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)造成設(shè)備安裝不方便，傳動(dòng)過(guò)程中的精度和平穩(wěn)性也受到限制?；诙嗑S度運(yùn)動(dòng)、易拆裝、運(yùn)行精度高等特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的雕銑機(jī)進(jìn)給結(jié)構(gòu)如圖5所示。該結(jié)構(gòu)能方便地將料盤(pán)及料盤(pán)蓋整體取下，再安裝瓷塊，且加工主軸能夠多方位、高精度地對(duì)瓷塊進(jìn)行加工。

雕銑機(jī)系統(tǒng)各直線運(yùn)動(dòng)軸均采用精密滾珠絲桿，導(dǎo)軌采用精密交叉滾柱支撐，剛性好，動(dòng)作靈敏，不易引起振動(dòng)，適用于空間尺寸小、承受顛覆力矩的場(chǎng)合，該導(dǎo)軌直線度為±1 μm/25 mm。

5 五軸義齒雕銑機(jī)精度測(cè)試

雕銑機(jī)采用5軸聯(lián)動(dòng)工作，主軸電機(jī)功率4 kW，主軸最大轉(zhuǎn)速能達(dá)到60 000 r/min。X軸、Y軸、Z軸最大運(yùn)行速度均能達(dá)到15 m/min，最高定位精度為6 μm，內(nèi)置刀具12把，能進(jìn)行義齒加工，對(duì)于氧化鋯等義齒材料可進(jìn)行高速切削，樣機(jī)如圖6所示。為檢驗(yàn)機(jī)床定位精度，采用英國(guó)產(chǎn)RenishawXL-80激光干涉儀進(jìn)行測(cè)量。選取一臺(tái)BM-520W型義齒雕銑機(jī)測(cè)量其X軸定位精度，讓其在正常工作速度下運(yùn)行磨合0.5 h，安裝一臺(tái)RenishawXL-80激光干涉儀，將溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的溫度傳感器調(diào)整到合適位置，通過(guò)調(diào)整激光頭位置，確保反射光光強(qiáng)符合監(jiān)測(cè)要求，激光干涉儀歸零后進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，測(cè)量方法為等間距（間距值為40 mm）測(cè)量法，誤差補(bǔ)償為增量型補(bǔ)償。激光干涉儀測(cè)試精度現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

利用RenishawXL-80激光干涉儀測(cè)試其定位精度，補(bǔ)償前定位精度數(shù)據(jù)是30.420 μm，如圖8所示。補(bǔ)償后定位精度數(shù)據(jù)為5.102 μm，如圖9所示，滿足精度設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)義齒溝、尖、窩等典型形態(tài)的特殊加工需求，研制出了一種五軸義齒數(shù)字化雕銑機(jī)，其龍門(mén)架式的銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了設(shè)備工作時(shí)的高穩(wěn)定性;進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保雕銑機(jī)可多維度、高精度加工義齒。系統(tǒng)精度測(cè)試結(jié)果表明，該五軸義齒雕銑機(jī)具有定位精度高和剛性好的特點(diǎn)，驗(yàn)證了所研制的五軸義齒雕銑機(jī)滿足高效、精確加工義齒的設(shè)計(jì)需求。

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收稿日期：2020-07-03

作者簡(jiǎn)介：林麗君（1985—），女，四川成都人，工學(xué)博士，講師，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真、智能控制技術(shù)研究。