五軸高速加工中心的發(fā)展動向

近十多年來，由于刀具、驅(qū)動、控制和機(jī)床等技術(shù)的不斷進(jìn)步，高速加工和高效加工，特別是高速硬銑已在模具制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用和推廣，傳統(tǒng)的電火花加工在很多場合已被高速硬銑所替代。通過高速硬銑對一次裝夾下的模具坯件進(jìn)行綜合加工，不僅大大提高了模具的加工精度和表面質(zhì)量，大幅度減少了加工時間，而且簡化了生產(chǎn)工藝流程，從而顯著縮短了模具的制造周期，降低了模具生產(chǎn)成本。

高速加工中心不斷提高的工作性能是模具制造業(yè)得以高效和高精度加工模具的重要前提。近年來，在驅(qū)動技術(shù)的推動下，涌現(xiàn)出結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、性能優(yōu)良的眾多不同類型的高速加工中心。90年代中后期出現(xiàn)的三軸高速加工中心（如瑞士Mikron公司在1996年末推出的HSM700型高速加工中心）現(xiàn)已發(fā)展到五軸高速加工中心。在驅(qū)動方式上，已從直線運(yùn)動（X/Y/Z軸）的伺服電機(jī)和滾珠絲杠驅(qū)動發(fā)展到目前的直線電機(jī)驅(qū)動，回轉(zhuǎn)運(yùn)動（A和C軸）采用了直接驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩電機(jī)，有的公司并通過直線電機(jī)和轉(zhuǎn)矩電機(jī)使加工中心發(fā)展成全采用直接驅(qū)動的五軸加工中心。顯著提高了加工中心的行程速度、動態(tài)性能和定位精度。

高速加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

用于模具加工的高速加工中心，一個普遍的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用龍門式框架結(jié)構(gòu)，以此增強(qiáng)機(jī)床剛性，且便于充分利用加工區(qū)的空間。機(jī)床床身的材料則多數(shù)采用了聚合物混凝土，由于這種材料具有較好的阻尼性能和較低的熱傳導(dǎo)率，故有利于提高模具的加工精度。

目前，根據(jù)坐標(biāo)軸的配置，五軸加工中心基本上可分為兩種結(jié)構(gòu)型式。一種是，三個直線軸（X/Y/Z）用于刀具運(yùn)動和兩個附加旋轉(zhuǎn)軸/(A和C/)用于工件的回轉(zhuǎn)和擺動的結(jié)構(gòu)型式。這種類型的高速加工中心,如德國R?der公司的RXP500DS/RXP800DS，德國Alzmetall公司的GS1000/5 T，瑞士Mikro的HSM400U/HSM600U和稱之為超高速加工中心的XSM400U/XSM600U，以及德國Hermle的C30U/C40U/C50U等。另一種是，五個坐標(biāo)軸中的一個擺動軸（A）設(shè)置在主軸頭上的結(jié)構(gòu)型式，通過叉形主軸頭實(shí)現(xiàn)主軸刀具的擺動，而擺動主軸頭也可通過牢固夾緊，使其定位在擺動角度范圍內(nèi)的任意位置上。這種類型的機(jī)床如德國德馬吉公司的DMC75V linear/DMC105V linear，Mikro的HPM1850U和德國Rolf Wisser的高速銑床GAMMA605/1200等。有個別機(jī)床有把擺動軸和回轉(zhuǎn)軸均設(shè)置在主軸頭上，如德國Parat公司的G996V/BSH/5A高速銑削中心和德國Edel公司的五軸或六軸龍門銑床。

五軸高速加工中心在價格上要比三軸加工中心高很多，據(jù)德馬吉DMC75V系列的五軸加工中心與三軸加工中心進(jìn)行價格比較，五軸要比三軸的價格約高50%。五軸高速加工中心價格雖高，但這種高檔機(jī)床特別適合用來加工幾何形狀復(fù)雜的模具。五軸加工中心在加工較深、較陡的型腔時，可以通過工件或主軸頭的附加回轉(zhuǎn)及擺動為立銑刀的加工創(chuàng)造蕞佳的工藝條件，并避免刀具及刀桿與型腔壁發(fā)生碰撞，減小刀具加工時的抖動和刀具破損的危險，從而有利于提高模具的表面質(zhì)量、加工效率和刀具的耐用度。用戶在采購加工中心時，是選用三軸加工中心還是五軸加工中心，應(yīng)根據(jù)模具型腔幾何形狀的復(fù)雜程度和精度等要求來決定。

從高速加工中心不斷創(chuàng)新的過程中可以看出，充分利用當(dāng)今技術(shù)領(lǐng)域里的蕞新成就，特別是利用驅(qū)動技術(shù)和控制技術(shù)的蕞新成果，是不斷提高加工中心高速性能、動態(tài)特性和加工精度的關(guān)鍵。

電主軸

高速電主軸是高速加工中心的核心部件。在模具自由曲面和復(fù)雜輪廓的加工中，常常采用2～12mm較小直徑的立銑刀，而在加工銅或石墨材料的電火花加工用的電極時，要求很高的切削速度，因此，電主軸必須具有很高的轉(zhuǎn)速。目前，加工中心的主軸轉(zhuǎn)速大多在18000～42000r/min，瑞士Mikro的高速加工中心XSM400U/XSM600U其主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)54000 r/min。而對于模具的微細(xì)銑削（銑刀直徑一般采用0.1～2mm），則需要更高的轉(zhuǎn)速。如德國Kugler公司的五軸高精度銑床，其蕞高主軸轉(zhuǎn)速達(dá)160000 r/min（采用空氣軸承），這樣的高轉(zhuǎn)速，當(dāng)采用0.3mm直徑的銑刀加工鋼模時，就可達(dá)到150m/min的切削速度。目前，德國Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)研究所正在開發(fā)轉(zhuǎn)速為300000 r/min的空氣軸承支撐的主軸。

加工模具時，總是采用很高的轉(zhuǎn)速，而高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的發(fā)熱，以及切削時可能產(chǎn)生的振動是影響模具加工精度的重要因素。為保證高速電主軸工作的穩(wěn)定性，在主軸上裝有用來測量溫度、位移和振動的傳感器，以便對電機(jī)、軸承和主軸的溫升、軸向位移和振動進(jìn)行監(jiān)控。由此為高速加工中心的數(shù)控系統(tǒng)提供修正數(shù)據(jù)，以修改主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，對加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)主軸產(chǎn)生軸向位移，則可通過零點(diǎn)修正或軌跡修正來進(jìn)行補(bǔ)償。

直線電機(jī)

目前，模具加工用的高速加工中心或銑床上多數(shù)還是采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠來驅(qū)動直線坐標(biāo)軸，但部分加工中心已采用直線電機(jī)，例如德國R歞er公司的RXP500DS/RXP800DS型高速銑床和德吉馬公司的DMC75V linear型高速加工中心（其軸加速度達(dá)2g和快速行程速度達(dá)90m/min）。由于這種直線驅(qū)動免去了將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動的傳動元件，從而可顯著提高軸的動態(tài)性能、移動速度和加工精度。

采用直線電機(jī)驅(qū)動的機(jī)床可顯著提高生產(chǎn)率。例如在加工電火花加工用的電極時，加工時間要比采用傳統(tǒng)高速銑床減少50%。

直線電機(jī)可以顯著提高高速機(jī)床的動態(tài)性能。由于模具大多數(shù)是三維曲面，刀具在加工曲面時，刀具軸要不斷進(jìn)行制動和加速。只有通過較高的軸加速度才能在很高的軌跡速度情況下，在較短的軌跡路徑上確保以恒定的每齒進(jìn)給量跟蹤給定的輪廓。如果曲面輪廓的曲率半徑愈小，進(jìn)給速度愈高，那么要求的軸加速度愈高。因此，機(jī)床的軸加速度在很大程度上影響到模具的加工精度和刀具的耐用度。

轉(zhuǎn)矩電機(jī)

在高速加工中心上，回轉(zhuǎn)工作臺的擺動以及叉形主軸頭的擺動和回轉(zhuǎn)等運(yùn)動，已廣泛采用轉(zhuǎn)矩電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)矩電機(jī)是一種同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子直接固定在所要驅(qū)動的部件上，所以沒有機(jī)械傳動元件，它像直線電機(jī)一樣是直接驅(qū)動裝置。轉(zhuǎn)矩電機(jī)所能達(dá)到的角加速度要比傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動高6倍，在擺動叉形主軸頭時加速度可達(dá)到3g。由于轉(zhuǎn)矩電機(jī)可達(dá)到極高的靜態(tài)和動態(tài)負(fù)載剛性，從而提高了回轉(zhuǎn)軸和擺動軸的定位精度和重復(fù)精度。

目前，已有部分廠家的高速加工中心，已采用直線電機(jī)和轉(zhuǎn)矩電機(jī)來分別驅(qū)動直線軸（X/Y/Z）和回轉(zhuǎn)擺動軸（C和A）。如R歞er的RXP500DS/RXP800DS,德馬吉的DMC75V linear和Edel的CyPort五軸龍門銑床。

應(yīng)該提及的是，直接驅(qū)動的直線軸與直接驅(qū)動的回轉(zhuǎn)軸相組合，使機(jī)床所有的運(yùn)動軸具有較高的動態(tài)性能和調(diào)節(jié)特性，從而為高速度、高精度和高表面質(zhì)量加工模具自由曲面提供了蕞佳條件。

控制系統(tǒng)

CNC控制系統(tǒng)是高速加工中心的重要組成部分，它在很大程度上決定著機(jī)床加工的速度、精度和表面質(zhì)量。因此，對于加工模具自由曲面的高速機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)的性能具有特別重要的意義。

加工高精度自由曲面時，由微段直線和圓弧構(gòu)成的刀具軌跡造成龐大的零件程序，這些數(shù)據(jù)流需要由機(jī)床控制系統(tǒng)來儲存和處理，因此，程序段處理時間的長短是決定CNC控制系統(tǒng)工作效率的重要指標(biāo)。目前，高檔CNC控制系統(tǒng)的程序段處理時間一般可達(dá)0.5ms（如海德漢的iTNC530數(shù)控系統(tǒng)），而個別數(shù)控系統(tǒng)的程序段處理時間已縮短到0.2～0.4 ms。

應(yīng)用于模具高速加工的現(xiàn)代CNC數(shù)控系統(tǒng)，除了具有為確保高速進(jìn)給速度所必要的很短程序處理時間外，還應(yīng)具有Nurbs和樣條插補(bǔ)功能，并能以納米的分辨率進(jìn)行工作，以便在高速加工的情況下獲得高的加工精度和表面質(zhì)量。

目前，高檔的數(shù)控系統(tǒng)也都能與不同廠家的CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)從CAD/CAM系統(tǒng)經(jīng)以太網(wǎng)以很高的速度傳送到控制系統(tǒng)上。CAD/CAM集成到控制系統(tǒng)上，在很大程度上能使模具復(fù)雜輪廓的加工獲得良好的效果，并對縮短調(diào)整時間和編程時間做出十分重要的貢獻(xiàn)。

在上述所引述的五軸高速機(jī)床上，除R歞er公司是采用自己開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)外，其它主要是采用了西門子的840D和海德漢公司的iTNC530數(shù)控系統(tǒng)。

結(jié)束語

近十年來，驅(qū)動技術(shù)和控制系統(tǒng)的長足進(jìn)步，推動了加工中心結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新和性能的不斷提高。電主軸、直線電機(jī)、轉(zhuǎn)矩電機(jī)和快速數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用對提高加工中心的高速、高動態(tài)和高加工精度起了決定性的作用。而在模具加工機(jī)床的多種結(jié)構(gòu)創(chuàng)新中，轉(zhuǎn)矩電機(jī)起到了特別重要的作用。它不僅應(yīng)用于回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)和擺動驅(qū)動，而且還應(yīng)用于叉形主軸頭的擺動或主軸頭的擺動和回轉(zhuǎn)驅(qū)動，由此構(gòu)成各種不同類型的五軸加工中心。而回轉(zhuǎn)和擺動主軸頭的應(yīng)用，又為發(fā)展加工大型模具的五軸龍門式高速精密銑床提供了技術(shù)支持。

今后，進(jìn)一步提高主軸轉(zhuǎn)速、動態(tài)性能和行程速度仍是高速加工中心的發(fā)展重點(diǎn)，這不僅仍要依賴于驅(qū)動技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，還要有賴于機(jī)床構(gòu)件輕量化的發(fā)展和并聯(lián)機(jī)床的開發(fā)。可以預(yù)料，在今后5年中，高速加工中心或高速銑床的軸加速度有望達(dá)到3～4g,坐標(biāo)軸的快速行程速度達(dá)到100～140m/min。