五軸義齒數字化雕銑機機械結構設計

林麗君 李儉 袁德鋒 鄭開彬 劉帥

摘要：針對義齒加工高效、精確的功能需求，設計了一種滿足醫學口腔修復領域專用的五軸義齒數字化雕銑機。采用功能分析方法，對義齒加工特點進行研究，明確義齒雕銑機需具備的功能，對雕銑機的整體結構進行設計。為了滿足多維度、高精度的義齒加工需求，設計了相應的進給結構。系統精度測試結果表明，該雕銑機達到了高效、精確加工義齒的功能要求。

關鍵詞：義齒;五軸雕銑機;數控機床;高速切削

0 引言

目前口腔修復用義齒的傳統制造一般采用手工、鑄造等加工方法，這些方法加工效率低下、工藝過程煩瑣、周期長、精度低，無法滿足義齒的高效加工需求和患者的個性化需求[1-2]。隨著口腔修復CAD/CAM系統的引入，高速數控加工成了義齒制作的發展方向，數控加工具有精度高、周期短、直接成形、人工參與程度低等特點，在義齒修復領域得到了廣泛應用。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、窩等典型特征形態構成，采用一般數控技術加工類似人牙齒表面的薄壁件存在一些問題[3-4]。而運用高性能的高速加工機床，選用適合高速加工用的刀具，對義齒進行快速加工，其優勢十分明顯。在個性化數字建模的基礎上，快速制作復雜牙齒的修復體，研發面向口腔修復專用的小型精密齒科修復數字化醫療設備的需求日益凸顯。

本文基于義齒加工這一獨特應用需求的分析，對義齒加工機床的傳動系統、進給系統等關鍵結構進行了設計，研發出了一款滿足加工需求且結構新穎的五軸聯動義齒雕銑機，其主軸最高轉速為60 000 r/min，定位精度可達6 μm。

1 義齒雕銑機功能分析

本文所研究的義齒雕銑機主要用于加工醫用的可切削陶瓷材料，加工出的陶瓷修復體經過高溫燒結后可以直接給患者佩戴。因為所需加工的修復體形狀復雜，且上下兩面均需加工，所以本設計從義齒加工這一應用功能需求出發，研發了一種3個移動軸（X軸、Y軸、Z軸）和2個旋轉軸（A軸為夾具的旋轉軸，B軸為料盤的擺動軸）聯動的五軸義齒雕銑機，能自動、連續地加工出形狀特異的義齒，如圖1所示。五軸義齒雕銑機功能需求模型如圖2所示。

2 五軸義齒雕銑機結構設計

五軸義齒雕銑機機械結構設計應滿足非移動部件剛性好以及移動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。其總體結構布局如圖3所示。

機架采用了龍門架式銑床結構，并設計了較寬的立柱和橫梁，以增強雕銑機的穩定性。為確保較大的驅動力矩和制動力矩，盡量加寬X、Y、Z三向的兩根直線滾動導軌之間的跨距，從整體布局上保證了機床的剛性。為有效提高床身的結構強度和剛性，雕銑機床身底座采用具有良好的穩定性、吸振性和耐沖擊性的孕育鑄鐵鑄造而成，內部筋板使用米子筋配合的網狀結構，確保對Y軸工作臺和立柱的剛性支撐，保證機床動態加工時其穩定性處于最佳狀態。

在五軸義齒雕銑機上設置空壓機、冷卻液箱，空壓機通過真空發生器、電動調壓閥后與萬向冷卻液管相連，真空發生器的低壓介質進口通過電動開關閥與冷卻液箱相連，這樣能夠通過控制器控制，根據所加工的義齒材料，選擇相應的冷卻方式，并配合旋轉刀庫，一臺設備能適用于所有常用的義齒加工材料;在加工過程中，五軸義齒雕銑機能夠對刀具進行充分冷卻，確保加工精度，延長刀具使用壽命，并降低刀具打磨、維護的頻次。因此，本文所設計的五軸義齒雕銑機具有適用范圍廣、加工精度高、維護成本低的特點。

3 五軸義齒雕銑機電主軸傳動系統設計

對于義齒加工而言，其尺寸較小，導致加工時采用的刀具尺寸也受到相應制約。為了提高義齒加工效率，同時減少刀具磨損，要求主軸具有很高的轉速和切削精度。雕銑機結構高度集成化，采用電主軸作為裝備的切削執行部件[5]。

電主軸選型計算如下：

（1）極限切削力：通過前期大量針對義齒材料的銑削實驗，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），主軸轉速為20 000 r/min時的線速度值為2.1×10-3 m/s。

結合上述要求，所選電主軸實物如圖4所示，相關技術參數如表1所示。

4 五軸義齒雕銑機進給結構設計

瓷塊加工過程中，對主軸的速度及刀具的進給量大小要求非常高，并且因為牙科雕銑加工義齒形狀不規則，需要從不同角度對瓷塊進行加工，對雕銑機上主軸的傳動和位移的精度要求也非常高。現有的傳動、位移系統裝置結構復雜，裝置笨重，占用空間較大。復雜的結構造成設備安裝不方便，傳動過程中的精度和平穩性也受到限制。基于多維度運動、易拆裝、運行精度高等特點，所設計的雕銑機進給結構如圖5所示。該結構能方便地將料盤及料盤蓋整體取下，再安裝瓷塊，且加工主軸能夠多方位、高精度地對瓷塊進行加工。

雕銑機系統各直線運動軸均采用精密滾珠絲桿，導軌采用精密交叉滾柱支撐，剛性好，動作靈敏，不易引起振動，適用于空間尺寸小、承受顛覆力矩的場合，該導軌直線度為±1 μm/25 mm。

5 五軸義齒雕銑機精度測試

雕銑機采用5軸聯動工作，主軸電機功率4 kW，主軸最大轉速能達到60 000 r/min。X軸、Y軸、Z軸最大運行速度均能達到15 m/min，最高定位精度為6 μm，內置刀具12把，能進行義齒加工，對于氧化鋯等義齒材料可進行高速切削，樣機如圖6所示。為檢驗機床定位精度，采用英國產RenishawXL-80激光干涉儀進行測量。選取一臺BM-520W型義齒雕銑機測量其X軸定位精度，讓其在正常工作速度下運行磨合0.5 h，安裝一臺RenishawXL-80激光干涉儀，將溫度補償系統的溫度傳感器調整到合適位置，通過調整激光頭位置，確保反射光光強符合監測要求，激光干涉儀歸零后進行數據測量，測量方法為等間距（間距值為40 mm）測量法，誤差補償為增量型補償。激光干涉儀測試精度現場如圖7所示。

利用RenishawXL-80激光干涉儀測試其定位精度，補償前定位精度數據是30.420 μm，如圖8所示。補償后定位精度數據為5.102 μm，如圖9所示，滿足精度設計要求。

6 結語

本文針對義齒溝、尖、窩等典型形態的特殊加工需求，研制出了一種五軸義齒數字化雕銑機，其龍門架式的銑床結構設計，保證了設備工作時的高穩定性;進給結構設計，確保雕銑機可多維度、高精度加工義齒。系統精度測試結果表明，該五軸義齒雕銑機具有定位精度高和剛性好的特點，驗證了所研制的五軸義齒雕銑機滿足高效、精確加工義齒的設計需求。

[參考文獻]

[1] 雷小寶.預燒結氧化鋯義齒高速銑削加工關鍵技術與裝備研究[D].南京：南京航空航天大學，2011.

[2] 呂培軍，李彥生，王勇，等.國產口腔修復CAD-CAM系統的研究與開發[J].中華口腔醫學雜志，2002，37（5）：367-370.

[3] 王亞平，趙蓓芳，王勇，等.口腔修復體數控加工工藝研究[J].中國醫學裝備，2007，4（1）：6-9.

[4] 孫全平，汪通悅，陳前亮，等.牙冠修復體數控加工刀軌生成算法的研究與實現[J].生物醫學工程學雜志，2008，25（3）：547-551.

[5] 李林，馬平.高速雕銑機床電主軸動態特性分析[J].裝備制造技術，2015（10）：57-59.

收稿日期：2020-07-03

作者簡介：林麗君（1985—），女，四川成都人，工學博士，講師，研究方向：數字化設計與仿真、智能控制技術研究。