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、控制和機床等技術(shù)的不斷進步，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，已從直線運動（X/Y/Z軸）的伺服電機和滾珠絲杠驅(qū)動發(fā)展到目前的直線電機驅(qū)動，回轉(zhuǎn)運動（A和C軸） 采用了直接驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩電機，有的公司并通過直線電機和轉(zhuǎn)矩電機使加工中心發(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)特點及優(yōu)點

    用于模具加工的高速加工中心，一個普遍的結(jié)構(gòu)特點是采用龍門式框架結(jié)構(gòu)，以此增強機床剛性，且便于充分利用加工區(qū)的空間。機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)造最佳的工藝條件，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)域里的最新成就，特別是利用驅(qū)動技術(shù)和控制技術(shù)的最新成果，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54000 r/min。而對于模具的微細銑削（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，其最高主軸轉(zhuǎn)速達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、軸承和主軸的溫升、軸向位移和振動進行監(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)速和進給速度，對加工參數(shù)進行優(yōu)化。當(dāng)主軸產(chǎn)生軸向位移，則可通過零點修正或軌跡修正來進行補償。

直線電機

    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，例如德國R?ders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2g和快速行程速度達 90m/min）。由于這種直線驅(qū)動免去了將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的傳動元件，從而可顯著提高軸的動態(tài)性能、移動速度和加工精度。

    采用直線電機驅(qū)動的機床可顯著提高生產(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%。

    直線電機可以顯著提高高速機床的動態(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給量跟蹤給定的輪廓。如果曲面輪廓的曲率半徑愈小，進給速度愈高，那么要求的軸加速度愈高。因此，機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

    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)等運動，已廣泛采用轉(zhuǎn)矩電機來實現(xiàn)。轉(zhuǎn)矩電機是一種同步電機，其轉(zhuǎn)子直接固定在所要驅(qū)動的部件上，所以沒有機械傳動元件，它像直線電機一樣是直接驅(qū)動裝置。轉(zhuǎn)矩電機所能達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到3g。由于轉(zhuǎn)矩電機可達到極高的靜態(tài)和動態(tài)負載剛性，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，已采用直線電機和轉(zhuǎn)矩電機來分別驅(qū)動直線軸（X/Y/Z）和回轉(zhuǎn)擺動軸（C和A）。如R?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，使機床所有的運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最佳條件。

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0.2～0.4ms。

    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和樣條插補功能，并能以納米的分辨率進行工作，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。 

結(jié)束語

    近十年來，驅(qū)動技術(shù)和控制系統(tǒng)的長足進步，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、轉(zhuǎn)矩電機和快速數(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。而在模具加工機床的多種結(jié)構(gòu)創(chuàng)新中，轉(zhuǎn)矩電機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，這不僅仍要依賴于驅(qū)動技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的進一步發(fā)展，還要有賴于機床構(gòu)件輕量化的發(fā)展和并聯(lián)機床的開發(fā)�？梢灶A(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到3～4g,坐標(biāo)軸的快速行程速度達到100～140m/min。