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Röders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。