2022年五轴高速加工中心的发展新动向 .pdf
五轴高速加工中心的发展新动向近十多年来，由于刀具、驱动、控制和机床等技术的不断进步，高速加工和高效加工，特别是高速硬铣已在模具制造业中得到了广泛应用和推广，传统的电火花加工在很多场合已被高速硬铣所替代。通过高速硬铣对一次装夹下的模具坯件进行综合加工，不仅大大提高了模具的加工精度和表面质量， 大幅度减少了加工时间，而且简化了生产工艺流程，从而显著缩短了模具的制造周期，降低了模具生产成本。高速加工中心不断提高的工作性能是模具制造业得以高效和高精度加工模具的重要前提。近年来，在驱动技术的推动下，涌现出结构创新、性能优良的众多不同类型的高速加工中心。90 年代中后期出现的三轴高速加工中心(如瑞士 Mikron 公司在 1996年末推出的HSM700 型高速加工中心 )现已发展到五轴高速加工中心。在驱动方式上， 已从直线运动 (X/Y/Z 轴)的 伺服电机 和滚珠丝杠驱动发展到目前的直线电机 驱动，回转运动 (A 和 C 轴)采用了直接驱动的转矩电机，有的公司并通过直线电机 和转矩电机使加工中心发展成全采用直接驱动的五轴加工中心。显著提高了加工中心的行程速度、动态性能和定位精度。高速加工中心的结构特点及优点用于模具加工的高速加工中心，一个普遍的结构特点是采用龙门式框架结构，以此增强机床刚性， 且便于充分利用加工区的空间。机床床身的材料则多数采用了聚合物混凝土，由于这种材料具有较好的阻尼性能和较低的热传导率，故有利于提高模具的加工精度。目前， 根据坐标轴的配置，五轴加工中心基本上可分为两种结构型式。一种是，三个直线轴(X/Y/Z) 用于刀具运动和两个附加旋转轴(A 和 C)用于工件的回转和摆动的结构型式。这种类型的高速加工中心,如德国R?der 公司的RXP500DS/RXP800DS ，德国Alzmetall公司的 GS1000/5-T ， 瑞 士Mikro的HSM400U/HSM600U和 称 之 为 超 高 速 加 工 中 心 的XSM400U/XSM600U，以及德国Hermle 的 C30U/C40U/C50U 等。另一种是，五个坐标轴中的一个摆动轴(A) 设置在主轴头上的结构型式，通过叉形主轴头实现主轴刀具的摆动，而摆动主轴头也可通过牢固夹紧，使其定位在摆动角度范围内的任意位置上。这种类型的机床如德国德马吉公司的 DMC75V linear/DMC105V linear， Mikro 的 HPM1850U和德国 Rolf Wisser 的高速铣床 GAMMA605/1200等。有个别机床有把摆动轴和回转轴均设置在主轴头上，如德国Parat 公司的G996V/BSH/5A高速铣削中心和德国 Edel 公司的五轴或六轴龙门铣床。五轴高速加工中心在价格上要比三轴加工中心高很多，据德马吉DMC75V系列的五轴加工中心与三轴加工中心进行价格比较，五轴要比三轴的价格约高50%。五轴高速加工中心价格虽高，但这种高档机床特别适合用来加工几何形状复杂的模具。五轴加工中心在加工较深、较陡的型腔时， 可以通过工件或主轴头的附加回转及摆动为立铣刀的加工创造最佳的工艺条件，并避免刀具及刀杆与型腔壁发生碰撞，减小刀具加工时的抖动和刀具破损的危险，从而有利于提高模具的表面质量、加工效率和刀具的耐用度。用户在采购加工中心时，是选用三轴加工中心还是五轴加工中心，应根据模具型腔几何形状的复杂程度和精度等要求来决定。从高速加工中心不断创新的过程中可以看出，充分利用当今技术领域里的最新成就，特别是利用驱动技术和控制技术的最新成果，是不断提高加工中心高速性能、动态特性和加工精度的关键。电主轴精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 4 页高速电主轴是高速加工中心的核心部件。在模具自由曲面和复杂轮廓的加工中，常常采用212mm 较小直径的立铣刀，而在加工铜或石墨材料的电火花加工用的电极时，要求很高的切削速度， 因此，电主轴必须具有很高的转速。目前，加工中心的主轴转速大多在1800042000r/min ， 瑞士 Mikro 的高速加工中心XSM400U/XSM600U其主轴转速已达54000 r/min 。而对于模具的微细铣削(铣刀直径一般采用0.12mm)，则需要更高的转速。如德国KUGler公司的五轴高精度铣床，其最高主轴转速达160000 r/min( 采用空气 轴承 )，这样的高转速，当采用 0.3mm 直径的铣刀加工钢模时，就可达到 150m/min 的切削速度。 目前， 德国 Fraunhofer生产技术研究所正在开发转速为300000 r/min 的空气 轴承 支撑的主轴。加工模具时， 总是采用很高的转速，而高转速产生的发热，以及切削时可能产生的振动是影响模具加工精度的重要因素。为保证高速电主轴工作的稳定性，在主轴上装有用来测量温度、位移和振动的传感器，以便对电机、轴承 和主轴的温升、 轴向位移和振动进行监控。由此为高速加工中心的数控系统 提供修正数据， 以修改主轴转速和进给速度，对加工参数进行优化。当主轴产生轴向位移，则可通过零点修正或轨迹修正来进行补偿。直线电机目前，模具加工用的高速加工中心或铣床上多数还是采用伺服电机 和滚珠丝杠来驱动直线坐标轴，但部分加工中心已采用直线电机 ，例如德国R?ders公司的 RXP500DS/RXP800DS 型高速铣床和德吉马公司的DMC75V linear 型高速加工中心(其轴加速度达2g 和快速行程速度达 90m/min) 。由于这种直线驱动免去了将回转运动转换为直线运动的传动元件，从而可显著提高轴的动态性能、移动速度和加工精度。采用 直线电机 驱动的机床可显著提高生产率。例如在加工电火花加工用的电极时，加工时间要比采用传统高速铣床减少50%。直线电机 可以显著提高高速机床的动态性能。由于模具大多数是三维曲面，刀具在加工曲面时， 刀具轴要不断进行制动和加速。只有通过较高的轴加速度才能在很高的轨迹速度情况下，在较短的轨迹路径上确保以恒定的每齿进给量跟踪给定的轮廓。如果曲面轮廓的曲率半径愈小，进给速度愈高，那么要求的轴加速度愈高。因此，机床的轴加速度在很大程度上影响到模具的加工精度和刀具的耐用度。转矩电机在高速加工中心上，回转工作台的摆动以及叉形主轴头的摆动和回转等运动，已广泛采用转矩电机来实现。 转矩电机是一种同步电机 ，其转子直接固定在所要驱动的部件上，所以没有机械传动元件， 它像 直线电机 一样是直接驱动装置。转矩电机所能达到的角加速度要比传统的蜗轮蜗杆传动高6 倍，在摆动叉形主轴头时加速度可达到3g。由于转矩电机可达到极高的静态和动态负载刚性，从而提高了回转轴和摆动轴的定位精度和重复精度。目前，已有部分厂家的高速加工中心，已采用 直线电机 和转矩电机来分别驱动直线轴(X/Y/Z)和回转摆动轴 (C 和 A)。如 R?er 的 RXP500DS/RXP800DS, 德马吉的DMC75V linear和 Edel的 CyPort 五轴龙门铣床。应该提及的是， 直接驱动的直线轴与直接驱动的回转轴相组合，使机床所有的运动轴具有较高的动态性能和调节特性，从而为高速度、 高精度和高表面质量加工模具自由曲面提供了最佳条件。控制系统CNC 控制系统 是高速加工中心的重要组成部分，它在很大程度上决定着机床加工的速度、精度和表面质量。因此， 对于加工模具自由曲面的高速机床，数控系统 的性能具有特别重要的意义。加工高精度自由曲面时，由微段直线和圆弧构成的刀具轨迹造成庞大的零件程序，这些数据流需要由机床 控制系统 来储存和处理，因此，程序段处理时间的长短是决定CNC 控制系统精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 4 页工作效率的重要指标。目前，高档CNC 控制系统 的程序段处理时间一般可达0.5ms(如海德汉的 iTNC530 数控系统 )，而个别 数控系统 的程序段处理时间已缩短到0.20.4ms。应用于模具高速加工的现代CNC 数控系统 ，除了具有为确保高速进给速度所必要的很短程序处理时间外， 还应具有Nurbs 和样条插补功能，并能以纳米的分辨率进行工作，以便在高速加工的情况下获得高的加工精度和表面质量。目前，高档的 数控系统 也都能与不同厂家的CAD /CAM 系统进行连接，数据从CAD /CAM系统经以太网以很高的速度传送到控制系统 上。CAD /CAM 集成到 控制系统 上，在很大程度上能使模具复杂轮廓的加工获得良好的效果，并对缩短调整时间和编程时间做出十分重要的贡献。在上述所引述的五轴高速机床上，除R?er 公司是采用自己开发的数控系统 外，其它主要是采用了西门子的840D 和海德汉公司的iTNC530 数控系统 。结束语近十年来， 驱动技术和 控制系统 的长足进步， 推动了加工中心结构的不断创新和性能的不断提高。 电主轴、 直线电机 、转矩电机和快速数控系统 的应用对提高加工中心的高速、高动态和高加工精度起了决定性的作用。而在模具加工机床的多种结构创新中，转矩电机起到了特别重要的作用。 它不仅应用于回转工作台的回转和摆动驱动，而且还应用于叉形主轴头的摆动或主轴头的摆动和回转驱动，由此构成各种不同类型的五轴加工中心。而回转和摆动主轴头的应用，又为发展加工大型模具的五轴龙门式高速精密铣床提供了技术支持。今后， 进一步提高主轴转速、动态性能和行程速度仍是高速加工中心的发展重点，这不仅仍要依赖于驱动技术和数控技术的进一步发展，还要有赖于机床构件轻量化的发展和并联机床的开发。可以预料，在今后5 年中，高速加工中心或高速铣床的轴加速度有望达到 34g,坐标轴的快速行程速度达到100140m/min 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 4 页五轴联动加工中心应用加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心，立式加工中心 （三轴） 最有效的加工面仅为工件的顶面， 卧式加工中心借助回转工作台，也只能完成工件的四面加工。目前高档的加工中心正朝着五轴控制的方向发展，五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点， 工件一次装夹就可完成五面体的加工。如配置上五轴联动的高档数控系统 ，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适宜象汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。（本期介绍立式五轴加工中心）立式五轴加工中心这类加工中心的回转轴有两种方式，一种是工作台回转轴。设置在床身上的工作台可以环绕X 轴回转，定义为A 轴， A 轴一般工作范围+30 度至-120 度。工作台的中间还设有一个回转台，在图示的位置上环绕Z 轴回转， 定义为 C 轴，C轴都是 360 度回转。这样通过A 轴与 C 轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A 轴和 C 轴最小分度值一般为0.001 度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A 轴和 C 轴如与 XYZ 三直线轴实现联动， 就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统 、伺服系统 以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A 轴回转大于等于90 度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。 另一种是依靠立式主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z 轴 360 度，成为 C 轴，回转头上还有带可环绕X 轴旋转的A 轴，一般可达 90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点：在使用球面铣刀加工曲面时， 当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量。这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅 尺反馈， 分度精度都在几秒以内，当然这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高。精选学习资料 - 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