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1 引言

     在傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)中, 一般用三軸立式加工中心來加工, 而后需要大量的人工進(jìn)行鉗工修整工作。而采用五軸加工時(shí), 刀具- 工件的位姿角在加工過程中可隨時(shí)調(diào)整, 避免了刀具干涉, 使得一次裝夾就能完成復(fù)雜形狀零件的全部或大部分加工, 與多次裝夾相比, 顯著地縮短加工周期,提高了加工精度。而且在五軸加工中, 刀頭可靈活地進(jìn)入復(fù)雜的模具型腔內(nèi)部, 這有利于短刀具采用更高的切削速度來進(jìn)行加工, 避免刀具的顫動(dòng), 提高加工精度[1]。

     目前, 切削加工正朝著高速化的方向發(fā)展, 結(jié)合高速切削的五軸加工技術(shù), 采用高的切削速度和進(jìn)給速度, 大大縮短了切削加工時(shí)間并獲得更好的加工表面質(zhì)量。在高速銑削加工過程中, 切削力大大減少, 使得刀具耐用度有較大幅度提高[2]。從提高加工精度、縮短生產(chǎn)周期、降低人工成本等角度出發(fā), 為了提高競爭力, 模具加工企業(yè)采用高速五軸加工技術(shù), 正成為新的發(fā)展趨勢。

2 高速五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

     市場上常見的五軸加工機(jī)床, 按以旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成的型式來分可分為三類: 一是兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸都在工作臺(tái)一側(cè), 即兩軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái); 二是一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸在刀具一側(cè), 另一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸在工件一側(cè), 即旋轉(zhuǎn)主軸頭加上旋轉(zhuǎn)工作臺(tái); 三是兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸都在刀具一側(cè), 即兩軸旋轉(zhuǎn)主軸頭。

     2.1 雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的高速五軸機(jī)床

     雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)五軸加工機(jī)床的主軸不擺動(dòng), 兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均由雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)。雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)中能作360°的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)為回轉(zhuǎn)坐標(biāo), 另外一個(gè)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)一般不能作360°的旋轉(zhuǎn), 稱之為擺動(dòng)坐標(biāo), 故此工作臺(tái)也稱為旋轉(zhuǎn)/擺動(dòng)工作臺(tái)( 圖1) 。

     德國Hermle 公司生產(chǎn)的C40U 高速五軸加工中心 ( 圖2) 屬于這種配置的機(jī)床, 采用工作臺(tái)雙擺動(dòng)結(jié)構(gòu), 通過定軸A 的擺動(dòng)和動(dòng)軸C 的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工。工作臺(tái)擺動(dòng)角度大, 動(dòng)態(tài)性能好, 適用于復(fù)雜曲面加工( 含負(fù)角度加工) 。機(jī)床的幾何精度及位置精度高的特點(diǎn)適合高精度零件加工, 尤其孔系位置精度( 平行度, 重復(fù)度) 要求高的零件加工。

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     Mikron 公司生產(chǎn)的HSM400U( 圖3) 的配置有30000~60000r/min 的高速主軸( 用HSK E 40 高速刀柄) , 3 個(gè)直線軸采用水冷的大功率伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng), 以保證高的動(dòng)態(tài)性能, 工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸( B 軸和C 軸) 用轉(zhuǎn)矩電機(jī)驅(qū)動(dòng), 使得旋轉(zhuǎn)軸的速度也能與高速主軸和直線軸相匹配, 實(shí)現(xiàn)高速五軸加工。

     部分代表型號的雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)高速五軸加工中心主要規(guī)格和性能指標(biāo)見表1。

     雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)五軸機(jī)床沒有傾斜擺動(dòng)主軸頭, 這就減少了控制系統(tǒng)的迅速復(fù)雜運(yùn)算量( number crunching) 。而且刀具的定位也不必考慮三角關(guān)系引起的變化, 刀具偏置量可以通過調(diào)整X、Y、Z 三個(gè)軸得到, 使得刀具路徑的計(jì)算更加簡單[9]。由于雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的機(jī)構(gòu)與剛性等因素不容易實(shí)現(xiàn)大型化, 承載能力較低, 適合于中小型機(jī)床, 主要應(yīng)用于中小型模具的加工。

     2.2 擺動(dòng)主軸頭加旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的高速五軸機(jī)床

     這種型式機(jī)床的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸分別在工作臺(tái)( 工件) 一側(cè)和主軸( 刀具) 一側(cè),即采用帶擺動(dòng)功能的主軸頭和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)來實(shí)現(xiàn)( 圖4) ,多為中型機(jī)床所采用。這種機(jī)床的配置都是分別在主軸頭與工作臺(tái)各設(shè)計(jì)一組單軸旋轉(zhuǎn)軸, 在主軸頭上的旋轉(zhuǎn)軸繞X( Y) 軸旋轉(zhuǎn)的A( B) 軸, 在工作臺(tái)上的旋轉(zhuǎn)軸為繞Z軸旋轉(zhuǎn)的C 軸。DMG 的DMC 75V Linear( 圖5) 屬于這種配置的機(jī)床。表2 為部分這種配置機(jī)床的規(guī)格參數(shù)對照。DMC 75V Linear 的直線軸采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng), 3 個(gè)直線軸的工作行程( X/Y/Z) 為885/600/600mm, 進(jìn)給速度達(dá)90m/min, 加速度高達(dá)2g。主軸一側(cè)和工作臺(tái)一側(cè)的旋轉(zhuǎn)軸均采用轉(zhuǎn)矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)。主軸頭繞X 軸作A 軸擺動(dòng),

     擺動(dòng)角度為- 10°~+110°, 工作臺(tái)繞Z 軸作C 軸轉(zhuǎn)動(dòng), 轉(zhuǎn)動(dòng)角為360°連續(xù)回轉(zhuǎn)。直接驅(qū)動(dòng)的直線軸與直接驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)軸相組合, 使機(jī)床所有的運(yùn)動(dòng)軸具有較高的動(dòng)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良好的條件。

     這種型式配置的機(jī)床把旋轉(zhuǎn)軸分別放置于主軸與工作臺(tái)兩側(cè), 與使用雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的機(jī)床相比較, 優(yōu)點(diǎn)是剛性高, 工作臺(tái)的承載能力強(qiáng)。雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)為一個(gè)串聯(lián)機(jī)構(gòu), 而且空間上受到限制, 無法設(shè)計(jì)得足夠健壯, 導(dǎo)致整體剛性不足, 若將旋轉(zhuǎn)軸分開在主軸頭和工作臺(tái)兩邊, 那么結(jié)構(gòu)剛性的問題便得到很好的解決, 工作臺(tái)的工作臺(tái)面積與承載能力也遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。

     2.3 雙旋轉(zhuǎn)主軸頭的高速五軸機(jī)床

     雙旋轉(zhuǎn)主軸頭五軸機(jī)床的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均由主軸來實(shí)現(xiàn)( 圖6) 。根據(jù)工作臺(tái)移動(dòng)與否可分為兩種機(jī)型, 一種

是工作臺(tái)移動(dòng)作X、Y、Z 三個(gè)坐標(biāo)中的一個(gè)或多個(gè)直線運(yùn)動(dòng), 另一種是工作臺(tái)固定, X、Y、Z 三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)以及A( B) 、C 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)由主軸頭實(shí)現(xiàn)。后一種型式較為常見, 應(yīng)用也比較廣泛, 代表性產(chǎn)品有意大利FIDIA 公司的K211 高速五軸加工中心( 圖7) 。該加工中心配置自行生產(chǎn)的雙旋轉(zhuǎn)主軸頭M5A/55, 配置了高速主軸系統(tǒng), 采用HSK- A 63 高速刀柄。這種機(jī)床的特點(diǎn)是工件 ( 工作臺(tái)) 不動(dòng), 5 個(gè)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)都由具有轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)功能的主軸頭來完成, 主軸加工非常靈活, 工作臺(tái)可以設(shè)計(jì)得非常大, 適合于加工具有復(fù)雜形面的汽車覆蓋件、汽車儀表盤等大型模具。這種機(jī)床還有一大優(yōu)點(diǎn): 在使用球頭銑刀加工曲面時(shí), 當(dāng)?shù)毒咧行木€垂直于加工面時(shí), 由于球面銑刀避開定點(diǎn)切削, 保證有一定的線速度, 可提高表面加工質(zhì)量。由于這一優(yōu)點(diǎn), 這種結(jié)構(gòu)非常適合于模具高精度曲面的加工, 比工作臺(tái)回轉(zhuǎn)式加工中心更有優(yōu)勢。表3 為雙旋轉(zhuǎn)主軸頭高速五軸加工中心部分代表型號的性能規(guī)格表。

3 高速五軸加工機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)

     高速主軸、驅(qū)動(dòng)技術(shù)和控制技術(shù)是提高五軸加工中心高速性能、動(dòng)態(tài)特性和加工精度的關(guān)鍵。

     ( 1) 電主軸

     在模具自由曲面和復(fù)雜輪廓的加工中, 常常采用小直徑刀具, 而要實(shí)現(xiàn)高的切削速度, 主軸必須具有很高的轉(zhuǎn)速。目前高速加工中心的電主軸轉(zhuǎn)速大多在18000～42000r/min。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。

     ( 2) 直線電機(jī)

     由于模具大多數(shù)是三維曲面, 刀具在加工曲面時(shí), 刀具軸要不斷進(jìn)行制動(dòng)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。目前, 模具加工用的高速加工中心大多還是采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠來驅(qū)動(dòng)直線坐標(biāo)軸, 但部分加工中心已采用直線電機(jī), 如德國DMG 公司的DMC75V Linear 高速五軸加工中心。采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)免去了將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)元件, 從而顯著提高軸的動(dòng)態(tài)性能、移動(dòng)速度和加工精度。

     ( 3) 轉(zhuǎn)矩電機(jī)

     在高速五軸加工中心上, 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和主軸頭的擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 已廣泛采用轉(zhuǎn)矩電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。采用轉(zhuǎn)矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)如圖8所示。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(dòng)的部件上, 所以沒有機(jī)械傳動(dòng)元件, 它像直線電機(jī)一樣是直接驅(qū)動(dòng)裝置。轉(zhuǎn)矩電機(jī)有著大扭矩輸出、高伺服響應(yīng)、無接觸傳動(dòng)(無磨耗)、無傳動(dòng)背隙等特點(diǎn), 所能達(dá)到的角加速度要比傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)高6 倍, 在擺動(dòng)主軸頭上加速度可達(dá)到3g。使用轉(zhuǎn)矩電機(jī)替代蝸輪/蝸桿和齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)可以將機(jī)構(gòu)簡化, 并提高機(jī)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載剛性, 這大幅度提高了旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和主軸頭的動(dòng)態(tài)性能, 進(jìn)而提高回轉(zhuǎn)軸和擺動(dòng)軸的定位精度和重復(fù)定位精度。

     ( 4) 控制系統(tǒng)

     五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)是5 個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的合成, 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的加入使得運(yùn)動(dòng)學(xué)比三軸機(jī)床要復(fù)雜得多, 插補(bǔ)運(yùn)算量非常大, 而且旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的微小誤差就會(huì)大幅度降低加工精度。因此, 要實(shí)現(xiàn)高速五軸加工, 數(shù)控系統(tǒng)必須具有良好的伺服性能及高速控制能力, 更高的運(yùn)算速度和精度, 而且還需具備刀具中心點(diǎn)管理控制能力; 實(shí)時(shí)的刀長和刀徑自動(dòng)補(bǔ)償和機(jī)床幾何自動(dòng)補(bǔ)償功能; 支持傾斜工作面和圓柱面加工[6]。目前應(yīng)用在高速五軸加工中心常見的數(shù)控系統(tǒng)主要有德國Siemens 公司的840D和Heidenhain公司的iTNC530。

4 結(jié)束語

     高速五軸加工作為一種先進(jìn)加工技術(shù), 在歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家的汽車、模具、航天航空等領(lǐng)域已經(jīng)得到了相當(dāng)普及的應(yīng)用。隨著人們對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高, 模具的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜, 其交貨期越來越短, 鑒于五軸加工技的諸多優(yōu)勢, 以及五軸機(jī)床產(chǎn)品的價(jià)格逐漸降低, 可以預(yù)見高速五軸聯(lián)動(dòng)加工在我國模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。