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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行鉗工修整工作。而采用五軸加工時, 刀具- 工件的位姿角在加工過程中可隨時調(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行加工, 避免刀具的顫動, 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給速度, 大大縮短了切削加工時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 高速五軸機床的結(jié)構(gòu)特點

     市場上常見的五軸加工機床, 按以旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成的型式來分可分為三類: 一是兩個旋轉(zhuǎn)軸都在工作臺一側(cè), 即兩軸旋轉(zhuǎn)工作臺; 二是一個旋轉(zhuǎn)軸在刀具一側(cè), 另一個旋轉(zhuǎn)軸在工件一側(cè), 即旋轉(zhuǎn)主軸頭加上旋轉(zhuǎn)工作臺; 三是兩個旋轉(zhuǎn)軸都在刀具一側(cè), 即兩軸旋轉(zhuǎn)主軸頭。

     2.1 雙旋轉(zhuǎn)工作臺的高速五軸機床

     雙旋轉(zhuǎn)工作臺五軸加工機床的主軸不擺動, 兩個旋轉(zhuǎn)運動均由雙旋轉(zhuǎn)工作臺實現(xiàn)。雙旋轉(zhuǎn)工作臺中能作360°的回轉(zhuǎn)運動的坐標為回轉(zhuǎn)坐標, 另外一個作旋轉(zhuǎn)運動的坐標一般不能作360°的旋轉(zhuǎn), 稱之為擺動坐標, 故此工作臺也稱為旋轉(zhuǎn)/擺動工作臺( 圖1) 。

     德國Hermle 公司生產(chǎn)的C40U 高速五軸加工中心 ( 圖2) 屬于這種配置的機床, 采用工作臺雙擺動結(jié)構(gòu), 通過定軸A 的擺動和動軸C 的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工。工作臺擺動角度大, 動態(tài)性能好, 適用于復(fù)雜曲面加工( 含負角度加工) 。機床的幾何精度及位置精度高的特點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 個直線軸采用水冷的大功率伺服電機驅(qū)動, 以保證高的動態(tài)性能, 工作臺的轉(zhuǎn)動軸( B 軸和C 軸) 用轉(zhuǎn)矩電機驅(qū)動, 使得旋轉(zhuǎn)軸的速度也能與高速主軸和直線軸相匹配, 實現(xiàn)高速五軸加工。

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

     雙旋轉(zhuǎn)工作臺五軸機床沒有傾斜擺動主軸頭, 這就減少了控制系統(tǒng)的迅速復(fù)雜運算量( 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 三個軸得到, 使得刀具路徑的計算更加簡單[9]。由于雙旋轉(zhuǎn)工作臺的機構(gòu)與剛性等因素不容易實現(xiàn)大型化, 承載能力較低, 適合于中小型機床, 主要應(yīng)用于中小型模具的加工。

     2.2 擺動主軸頭加旋轉(zhuǎn)工作臺的高速五軸機床

     這種型式機床的兩個旋轉(zhuǎn)坐標軸分別在工作臺( 工件) 一側(cè)和主軸( 刀具) 一側(cè),即采用帶擺動功能的主軸頭和旋轉(zhuǎn)工作臺來實現(xiàn)( 圖4) ,多為中型機床所采用。這種機床的配置都是分別在主軸頭與工作臺各設(shè)計一組單軸旋轉(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) 屬于這種配置的機床。表2 為部分這種配置機床的規(guī)格參數(shù)對照。DMC 75V Linear 的直線軸采用直線電機驅(qū)動, 3 個直線軸的工作行程( X/Y/Z) 為885/600/600mm, 進給速度達90m/min, 加速度高達2g。主軸一側(cè)和工作臺一側(cè)的旋轉(zhuǎn)軸均采用轉(zhuǎn)矩電機驅(qū)動。主軸頭繞X 軸作A 軸擺動,

     擺動角度為- 10°~+110°, 工作臺繞Z 軸作C 軸轉(zhuǎn)動, 轉(zhuǎn)動角為360°連續(xù)回轉(zhuǎn)。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良好的條件。

     這種型式配置的機床把旋轉(zhuǎn)軸分別放置于主軸與工作臺兩側(cè), 與使用雙旋轉(zhuǎn)工作臺的機床相比較, 優(yōu)點是剛性高, 工作臺的承載能力強。雙旋轉(zhuǎn)工作臺為一個串聯(lián)機構(gòu), 而且空間上受到限制, 無法設(shè)計得足夠健壯, 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兩邊, 那么結(jié)構(gòu)剛性的問題便得到很好的解決, 工作臺的工作臺面積與承載能力也遠大于傳統(tǒng)的雙旋轉(zhuǎn)工作臺。

     2.3 雙旋轉(zhuǎn)主軸頭的高速五軸機床

     雙旋轉(zhuǎn)主軸頭五軸機床的兩個旋轉(zhuǎn)運動均由主軸來實現(xiàn)( 圖6) 。根據(jù)工作臺移動與否可分為兩種機型, 一種

是工作臺移動作X、Y、Z 三個坐標中的一個或多個直線運動, 另一種是工作臺固定, X、Y、Z 三個直線運動以及A( B) 、C 軸的轉(zhuǎn)動由主軸頭實現(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。這種機床的特點是工件 ( 工作臺) 不動, 5 個坐標運動都由具有轉(zhuǎn)動和擺動功能的主軸頭來完成, 主軸加工非常靈活, 工作臺可以設(shè)計得非常大, 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。這種機床還有一大優(yōu)點: 在使用球頭銑刀加工曲面時, 當(dāng)?shù)毒咧行木€垂直于加工面時, 由于球面銑刀避開定點切削, 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, 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 高速五軸加工機床的關(guān)鍵技術(shù)

     高速主軸、驅(qū)動技術(shù)和控制技術(shù)是提高五軸加工中心高速性能、動態(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

     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。目前, 模具加工用的高速加工中心大多還是采用伺服電機和滾珠絲杠來驅(qū)動直線坐標軸, 但部分加工中心已采用直線電機, 如德國DMG 公司的DMC75V Linear 高速五軸加工中心。采用直線電機驅(qū)動免去了將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的傳動元件, 從而顯著提高軸的動態(tài)性能、移動速度和加工精度。

     ( 3) 轉(zhuǎn)矩電機

     在高速五軸加工中心上, 回轉(zhuǎn)工作臺和主軸頭的擺動和回轉(zhuǎn)運動, 已廣泛采用轉(zhuǎn)矩電機來實現(xiàn)。采用轉(zhuǎn)矩電機直接驅(qū)動的回轉(zhuǎn)工作臺如圖8所示。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)矩電機有著大扭矩輸出、高伺服響應(yīng)、無接觸傳動(無磨耗)、無傳動背隙等特點, 所能達到的角加速度要比傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動高6 倍, 在擺動主軸頭上加速度可達到3g。使用轉(zhuǎn)矩電機替代蝸輪/蝸桿和齒輪傳動結(jié)構(gòu)可以將機構(gòu)簡化, 并提高機構(gòu)的靜態(tài)和動態(tài)負載剛性, 這大幅度提高了旋轉(zhuǎn)工作臺和主軸頭的動態(tài)性能, 進而提高回轉(zhuǎn)軸和擺動軸的定位精度和重復(fù)定位精度。

     ( 4) 控制系統(tǒng)

     五軸機床的運動是5 個坐標軸運動的合成, 旋轉(zhuǎn)坐標的加入使得運動學(xué)比三軸機床要復(fù)雜得多, 插補運算量非常大, 而且旋轉(zhuǎn)坐標的微小誤差就會大幅度降低加工精度。因此, 要實現(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, 更高的運算速度和精度, 而且還需具備刀具中心點管理控制能力; 實時的刀長和刀徑自動補償和機床幾何自動補償功能; 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加工技術(shù), 在歐美等工業(yè)發(fā)達國家的汽車、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, 以及五軸機床產(chǎn)品的價格逐漸降低, 可以預(yù)見高速五軸聯(lián)動加工在我國模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛。