五轴义齿数字化雕铣机机械结构设计

林丽君 李俭 袁德锋 郑开彬 刘帅

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铣机。采用功能分析方法，对义齿加工特点进行研究，明确义齿雕铣机需具备的功能，对雕铣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，该雕铣机达到了高效、精确加工义齿的功能要求。

关鍵词：义齿;五轴雕铣机;数控机床;高速切削

0 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[1-2]。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，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、氧化锆等高硬度加工材料。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[3-4]。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颖的五轴联动义齿雕铣机，其主轴最高转速为60 000 r/min，定位精度可达6 μm。

1 义齿雕铣机功能分析

本文所研究的义齿雕铣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（A轴为夹具的旋转轴，B轴为料盘的摆动轴）联动的五轴义齿雕铣机，能自动、连续地加工出形状特异的义齿，如图1所示。五轴义齿雕铣机功能需求模型如图2所示。

2 五轴义齿雕铣机结构设计

五轴义齿雕铣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。

机架采用了龙门架式铣床结构，并设计了较宽的立柱和横梁，以增强雕铣机的稳定性。为确保较大的驱动力矩和制动力矩，尽量加宽X、Y、Z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，雕铣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。

在五轴义齿雕铣机上设置空压机、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，五轴义齿雕铣机能够对刀具进行充分冷却，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铣机具有适用范围广、加工精度高、维护成本低的特点。

3 五轴义齿雕铣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。雕铣机结构高度集成化，采用电主轴作为装备的切削执行部件[5]。

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铣削实验，极限切削力Fz<50 N。

（2）所需主轴切削扭矩：

（3）所需主轴切削功率：

式中：v为切削线速度（m/s），主轴转速为20 000 r/min时的线速度值为2.1×10-3 m/s。

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。

4 五轴义齿雕铣机进给结构设计

瓷块加工过程中，对主轴的速度及刀具的进给量大小要求非常高，并且因为牙科雕铣加工义齿形状不规则，需要从不同角度对瓷块进行加工，对雕铣机上主轴的传动和位移的精度要求也非常高。现有的传动、位移系统装置结构复杂，装置笨重，占用空间较大。复杂的结构造成设备安装不方便，传动过程中的精度和平稳性也受到限制。基于多维度运动、易拆装、运行精度高等特点，所设计的雕铣机进给结构如图5所示。该结构能方便地将料盘及料盘盖整体取下，再安装瓷块，且加工主轴能够多方位、高精度地对瓷块进行加工。

雕铣机系统各直线运动轴均采用精密滚珠丝杆，导轨采用精密交叉滚柱支撑，刚性好，动作灵敏，不易引起振动，适用于空间尺寸小、承受颠覆力矩的场合，该导轨直线度为±1 μm/25 mm。

5 五轴义齿雕铣机精度测试

雕铣机采用5轴联动工作，主轴电机功率4 kW，主轴最大转速能达到60 000 r/min。X轴、Y轴、Z轴最大运行速度均能达到15 m/min，最高定位精度为6 μm，内置刀具12把，能进行义齿加工，对于氧化锆等义齿材料可进行高速切削，样机如图6所示。为检验机床定位精度，采用英国产RenishawXL-80激光干涉仪进行测量。选取一台BM-520W型义齿雕铣机测量其X轴定位精度，让其在正常工作速度下运行磨合0.5 h，安装一台RenishawXL-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40 mm）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。

利用RenishawXL-80激光干涉仪测试其定位精度，补偿前定位精度数据是30.420 μm，如图8所示。补偿后定位精度数据为5.102 μm，如图9所示，满足精度设计要求。

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铣机，其龙门架式的铣床结构设计，保证了设备工作时的高稳定性;进给结构设计，确保雕铣机可多维度、高精度加工义齿。系统精度测试结果表明，该五轴义齿雕铣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铣机满足高效、精确加工义齿的设计需求。

[参考文献]

[1] 雷小宝.预烧结氧化锆义齿高速铣削加工关键技术与装备研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.

[2] 吕培军，李彦生，王勇，等.国产口腔修复CAD-CAM系统的研究与开发[J].中华口腔医学杂志，2002，37（5）：367-370.

[3] 王亚平，赵蓓芳，王勇，等.口腔修复体数控加工工艺研究[J].中国医学装备，2007，4（1）：6-9.

[4] 孙全平，汪通悦，陈前亮，等.牙冠修复体数控加工刀轨生成算法的研究与实现[J].生物医学工程学杂志，2008，25（3）：547-551.

[5] 李林，马平.高速雕铣机床电主轴动态特性分析[J].装备制造技术，2015（10）：57-59.

收稿日期：2020-07-03

作者简介：林丽君（1985—），女，四川成都人，工学博士，讲师，研究方向：数字化设计与仿真、智能控制技术研究。