五軸高速加工中心的發展（zhǎn）動向

近十多年（nián）來，由於刀具（jù）、驅動、控製和機床等技術（shù）的（de）不斷進步，高速（sù）加工和高效加工，特別是高速硬銑已在模具製造業（yè）中得到了廣泛應用和推廣，傳統的電火（huǒ）花加工在很多場合已（yǐ）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（mó）具的加工精（jīng）度和（hé）表麵質量，大幅度（dù）減少了加工時間，而且簡化了生產工藝流程，從而顯著縮短了模具的製造周期，降低了模具生產成（chéng）本。

高速加工中心不斷提高的工作性能是模具製造業得以高（gāo）效和高精度加工模具的重（chóng）要（yào）前提。近年來，在驅動技術的推動下，湧現（xiàn）出結構創新、性能優良的眾多不同類型的高速加工中心。90年代中後期出現的三軸高速加工中心（如瑞士Mikron公司在1996年末推出（chū）的HSM700型高速（sù）加工中心）現已發展到五軸高速加工中（zhōng）心。在驅動方式上，已從直線運動（X/Y/Z軸（zhóu））的伺服電機和滾（gǔn）珠絲杠驅動發展到目前的直線電機驅動，回轉運動（A和（hé）C軸）采用了直接（jiē）驅動的轉矩電機，有的公司並通過直線電機和轉矩（jǔ）電機（jī）使加工中心發（fā）展成全采用直接驅動的五軸加工中心。顯著提高了加工中（zhōng）心的行程速度、動態性能和定位精度。

高速加工中心（xīn）的結構特（tè）點及優點

用於模具（jù）加工的高速加工中心，一個普遍的結構特點是采用龍門式框架結構，以此增強機床剛性，且便於（yú）充分利用加工區的空間。機（jī）床床身（shēn）的材料則多數采用了聚合物混凝土（tǔ），由於這種（zhǒng）材料具有較好（hǎo）的阻（zǔ）尼性能（néng）和較低的熱傳（chuán）導率，故有利於提高模具的加（jiā）工精度。

目前，根據坐標軸的配置，五軸加工中心基（jī）本上可分為兩種（zhǒng）結構型式。一種是，三個直（zhí）線軸（zhóu）（X/Y/Z）用於刀具運動（dòng）和兩個附加旋轉軸/(A和C/)用於（yú）工件的回轉和擺動的結構型式。這種類型的高速加工中心,如德國R?der公司的（de）RXP500DS/RXP800DS，德國Alzmetall公司的GS1000/5-T，瑞士Mikro的HSM400U/HSM600U和稱之（zhī）為超高速加工（gōng）中心的XSM400U/XSM600U，以及德（dé）國Hermle的C30U/C40U/C50U等。另一種是，五個坐標軸中的一個擺動軸（A）設置在主軸頭上的結構型式，通過叉形主軸頭實（shí）現主軸刀具的（de）擺（bǎi）動，而（ér）擺動主軸頭也可通過牢固夾緊，使其定位（wèi）在擺動角（jiǎo）度範圍內的任意（yì）位置上。這（zhè）種類型（xíng）的（de）機床如德（dé）國德馬吉公司的DMC75V linear/DMC105V linear，Mikro的HPM1850U和（hé）德國（guó）Rolf Wisser的高（gāo）速銑（xǐ）床GAMMA605/1200等。有個別機床（chuáng）有把擺動軸（zhóu）和回（huí）轉軸均設置在主軸頭上，如德國（guó）Parat公司的G996V/BSH/5A高速銑削中心和德國Edel公（gōng）司的五軸或六軸龍門銑床。

五軸高速加工中心在價格上要（yào）比三軸加工中心高很多，據德（dé）馬吉DMC75V係列的五軸加工中心與（yǔ）三軸（zhóu）加（jiā）工（gōng）中心進行價格比較，五軸要比三軸的價格約（yuē）高50%。五軸高速（sù）加工中心（xīn）價格雖高（gāo），但這種高檔機床特別適（shì）合用來加工幾何形狀複雜的模具。五軸加（jiā）工中心在加工較深、較（jiào）陡的型腔時，可以通過工件或主軸頭的附加回轉及擺動為立銑刀的加工創造最（zuì）佳的工藝條件，並避免刀具及刀杆與型腔壁發生碰撞，減小刀具加工時（shí）的抖（dǒu）動和刀具（jù）破損的危險，從而有利於提高模具的表（biǎo）麵質量、加（jiā）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，應根據模（mó）具型腔幾何形狀的複雜程度和精度等（děng）要求來決（jué）定。

從高速加工中心不（bú）斷創新的過程中可以看（kàn）出，充分利用當今技術領（lǐng）域裏的最（zuì）新成就，特別是利用驅動技術和控製技術的最新成果，是不斷提高加工中心高速性能、動態（tài）特性和加工精度（dù）的（de）關鍵。

電主軸

高速電（diàn）主軸是高速加工中（zhōng）心的（de）核心部件。在模具自由曲麵和複雜輪廓的加工中，常常（cháng）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（jí）時，要求（qiú）很高的切（qiē）削速度，因此，電主軸必須（xū）具有很高的轉（zhuǎn）速。目（mù）前，加工中心的主軸轉速大多在18000～42000r/min，瑞士Mikro的高速加工中心XSM400U/XSM600U其主軸轉速（sù）已達54000 r/min。而對於模具的微細銑削（xuē）（銑（xǐ）刀直徑一般采用（yòng）0.1～2mm），則需要更高的轉速。如（rú）德國Kugler公司的五軸高精度（dù）銑床，其最高主軸轉（zhuǎn）速達160000 r/min（采用（yòng）空氣軸承），這樣的高轉（zhuǎn）速，當采用0.3mm直徑的銑刀加工（gōng）鋼模時（shí），就可達到150m/min的切削速度。目前，德國Fraunhofer生產技術研究所正在開發轉速（sù）為300000 r/min的空（kōng）氣軸承（chéng）支撐的主（zhǔ）軸。

加工模具時，總是采用很高的轉速，而（ér）高轉（zhuǎn）速產生（shēng）的發熱，以及切削時可能產生的（de）振動是影響模具加工精度的重要因素。為保證高速電主（zhǔ）軸工作的穩定性，在主軸（zhóu）上裝有用來測（cè）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（zhèn）動（dòng）進行（háng）監控。由此為高速加工中心的數控係統提供修正數據（jù），以修改主軸轉速和進給速度，對加工（gōng）參數進行優化。當主軸產生軸向位移，則可通過零點修正或軌跡修正來進行（háng）補償。

直線電機

目前，模具加工（gōng）用的高（gāo）速加工中心（xīn）或銑床上多數還是采用伺服電機和滾珠絲杠來驅動直線（xiàn）坐標軸，但部分加工（gōng）中心（xīn）已采用（yòng）直線電機，例如德國R歞er公司的RXP500DS/RXP800DS型高速銑床和德吉馬公司的（de）DMC75V linear型高速加工中心（其軸加速度達2g和快（kuài）速行程速度達90m/min）。由於這種直線驅動免去了將回轉運動（dòng）轉換為直線運動的（de）傳動元件，從而可顯著提高軸的動態性能、移（yí）動速度和加工精度。

采用直線電機驅動的（de）機床可顯著提（tí）高（gāo）生產率。例如在加工電火（huǒ）花加工用的電極時，加工時間要（yào）比采（cǎi）用傳統（tǒng）高速銑床減少（shǎo）50%。

直線電機可以顯（xiǎn）著提高高速（sù）機床的（de）動態性能。由於模具大多數是三維曲麵（miàn），刀具在加工曲麵時，刀具軸要不斷進（jìn）行製動和加速（sù）。隻有通過較高的軸加速度才能在很高（gāo）的軌跡速度情（qíng）況下，在較短的軌跡路徑上確（què）保以（yǐ）恒定的每齒進給量跟蹤給定的輪廓（kuò）。如果曲麵輪廓的曲率半徑愈小，進給速度愈高，那麽要求的軸加速度愈高。因此，機床（chuáng）的軸加速度（dù）在很大程度上影響到模具的加工精（jīng）度和刀具的（de）耐用度。

轉矩電機

在高速加工中心上，回轉工作台的擺動以及叉形（xíng）主軸頭的擺動和回轉（zhuǎn）等運動，已廣泛采用轉矩電機來實現。轉矩電（diàn）機是一種同步（bù）電機（jī），其轉子直接固定在所要驅動的部件上，所以沒有機械傳動（dòng）元件，它像直線電機一樣是直接驅動裝置。轉矩電機（jī）所能達到的角加速度要比傳統的（de）蝸輪蝸杆傳動高6倍，在擺（bǎi）動叉形主軸頭時加速度可（kě）達到3g。由於轉矩電機可達到極高的靜態和動態負載剛（gāng）性，從（cóng）而提高了回轉軸和擺動軸的定位精度和重複（fù）精度。

目前，已（yǐ）有部分廠家的（de）高速加工中心，已采用直線電（diàn）機和轉矩電機（jī）來分別驅動直線軸（X/Y/Z）和回轉擺動軸（C和A）。如R歞er的RXP500DS/RXP800DS,德馬吉的DMC75V linear和Edel的CyPort五軸龍門（mén）銑床（chuáng）。

應該提及的是，直（zhí）接驅動的（de）直線軸與直接驅動的回轉軸相組合，使機床所有的運動軸具有較高的動態性能和（hé）調節特性，從而為高速（sù）度、高精度和高表麵質量加工模具自由（yóu）曲麵提供了（le）最佳條件。

控製係統

CNC控（kòng）製係統是高速加（jiā）工中心的重要組成部分，它在很大程（chéng）度上決定（dìng）著機床（chuáng）加工的速（sù）度、精度和表麵質量。因此，對於加工模具自由曲麵的高速機床（chuáng），數（shù）控係統（tǒng）的性能具（jù）有特別重要的（de）意義。

加工高精度自由曲麵時，由微（wēi）段直線和圓弧構成（chéng）的刀具（jù）軌跡造成龐大的零件程序，這些數據流需要由機（jī）床控製係統來儲存和處理，因此（cǐ），程序段處理時間的長短（duǎn）是決定CNC控製係統工（gōng）作效率的重要（yào）指標。目前，高檔CNC控製係統的程序段（duàn）處理時間一（yī）般可達0.5ms（如海德漢的（de）iTNC530數控係統），而個別數控係統的程序段（duàn）處（chù）理時間已縮短到0.2～0.4 ms。

應用於模具高速加工的現代（dài）CNC數控（kòng）係統（tǒng），除了具有為確保高速進給（gěi）速度所必要（yào）的很短程序處理時間外，還應具有Nurbs和樣條插補功能，並能以納米的分辨率（lǜ）進行工作（zuò），以便在高（gāo）速加工的情況下獲得高的加（jiā）工精度和表麵質（zhì）量。

目前，高檔的數控係統（tǒng）也都能與不同廠家的CAD/CAM係統進行連接，數據從CAD/CAM係統經以太網以（yǐ）很高的速度（dù）傳送到控（kòng）製係統上。CAD/CAM集成到（dào）控製係統上，在很大程度上能使模具複雜輪廓的加工獲得良好的效果，並對縮短調整時（shí）間和編程時間做出十分重要的貢獻。

在（zài）上述所引述的五軸高速機床上，除R歞er公司是采用（yòng）自己開發的數（shù）控係統外，其它主要是采（cǎi）用了西門子的840D和海德漢公司的iTNC530數控係統。

結束語

近十年來，驅（qū）動技（jì）術和控製係統的長足進步（bù），推動了加工中心（xīn）結構的不斷創新和性（xìng）能的不斷提高。電主軸、直線（xiàn）電機、轉矩電機和快（kuài）速數控係（xì）統的應用對提高加工中心的高速、高動態和高加工精度起（qǐ）了決定性的作用。而在（zài）模具加工機床的多種結（jié）構創新中，轉矩電機起到了特別重要的作用（yòng）。它不僅應用於回轉工作台（tái）的回轉和擺動驅動，而且（qiě）還應用於叉形（xíng）主軸頭的擺動或主軸頭的擺動和回轉驅動（dòng），由此構（gòu）成各種（zhǒng）不同類型的五軸加工中心。而回轉和擺（bǎi）動（dòng）主軸頭的（de）應用，又為發展加工大型模具的五軸龍門（mén）式高速精密銑床提（tí）供了技術支持（chí）。

今後，進（jìn）一步提高主軸轉速、動態性（xìng）能（néng）和行（háng）程速度仍（réng）是（shì）高速加工中心的發展重點，這不僅仍要依賴於驅動技術和數控技術（shù）的進一步發展，還要有賴於機床構件（jiàn）輕量化的發展（zhǎn）和並聯機床的開發。可以預料，在（zài）今後5年中，高速加工中心或高速（sù）銑床（chuáng）的軸加速度有望達到3～4g,坐標軸的快速行程速度達到100～140m/min。