五轴高速加工中心的开展动向.docx

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1、五轴高速加工中心的开展动向lihan导语：高速加工中心不断进步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，十分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换。通过高速硬铣对一次装夹下的模具坯件进展综合加工，不仅大大进步了模具的加工精度和外表质量，大幅度减少了加工时间，而且简化了消费工艺流程，进而显著缩短了模具的制造周期，降低了模具消费本钱。高速加工中心不断进步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，涌现出构造创新、

2、性能优良的诸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开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开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开展玉成采用直接驱动的五轴加工中心。显著进步了加工中心的行程速度、动态性能和定位精度。高速加工中心的构造特点及优点用于模具加工的高速加工中心，一个普遍的构造特点是采用龙门式框架构造，以此增强机床刚性，且便于充分利用加工区的空间。机床床身的材料那么多数采用了聚

3、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，故有利于进步模具的加工精度。目前，根据坐标轴的配置，五轴加工中心根本上可分为两种构造型式。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构造型式。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设置在主轴头上的构造型式，通过叉

4、形主轴头实现主轴刀具的摆动，而摆动主轴头也可通过结实夹紧，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DMC75Vlinear/DMC105Vlinear，Mikro的HPM1850U和德国RolfWisser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公司的五轴或者六轴龙门铣床。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展价格比拟，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

5、档机床十分合适用来加工几何外形复杂的模具。五轴加工中心在加工较深、较陡的型腔时，可以通过工件或者主轴头的附加回转及摆动为立铣刀的加工创造最正确的工艺条件，并防止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，进而有利于进步模具的外表质量、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外形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经过中可以看出，充分利用当今技术领域里的最新成就，十分是利用驱动技术和控制技术的最新成果，是不断进步加工中心高速性能、动态特性和加工精度的关键。高速电主轴是高速加工中心的核心部件。在模具

6、自由曲面和复杂轮廓的加工中，经常采用212mm较小直径的立铣刀，而在加工铜或者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54000r/min。而对于模具的微细铣削铣刀直径一般采用0.12mm，那么需要更高的转速。如德国KUGler公司的五轴高精度铣床，其最高主轴转速达160000r/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，就可到达150m/min的切削速度。目前，德国Fraunhofer消

7、费技术研究所正在开发转速为300000r/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、轴向位移和振动进展监控。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，对加工参数进展优化。当主轴产生轴向位移，那么可通过零点修正或者轨迹修正来进展补偿。目前，模具加工用的高速加工中心或者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，但局部加工中心已采用直线电机，例如德国R?ders公司的

8、RXP500DS/RXP800DS型高速铣床和德吉马公司的DMC75Vlinear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，进而可显著进步轴的动态性能、挪动速度和加工精度。采用直线电机驱动的机床可显著进步消费率。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%。直线电机可以显著进步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，刀具轴要不断进展制动和加速。只有通过较高的轴加速度才能在很高的轨迹速度情况下，在较短的轨迹途径上确保以恒定的每齿进给量跟踪给定的轮廓。假如曲面轮廓的曲率半

9、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。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。转矩电机所能到达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到达3g。由于转矩电机可到达极高的静态和动态负载刚性，进而进步了回转轴和摆动轴的定位精度和重复精度。目前，已有局部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

10、和A。如R?er的RXP500DS/RXP800DS,德马吉的DMC75Vlinear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，进而为高速度、高精度和高外表质量加工模具自由曲面提供了最正确条件。CNC控制系统是高速加工中心的重要组成局部，它在很大程度上决定着机床加工的速度、精度和外表质量。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十分重要的意义。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

11、短是决定CNC控制系统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当代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展工作，以便在高速加工的情况下获得高的加工精度和外表质量。目前，高档的数控系统也都能与不同厂家的CAD/CAM系统进展连接，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

12、效果，并对缩短调整时间和编程时间做出特别重要的奉献。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。近十年来，驱动技术和控制系统的长足进步，推动了加工中心构造的不断创新和性能的不断进步。电主轴、直线电机、转矩电机和快速数控系统的应用对进步加工中心的高速、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构造创新中，转矩电机起到了十分重要的作用。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者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，又为开展加工大型模具的五轴龙门式高速精细铣床提供了技术支持。今后，进一步进步主轴转速、动态性能和行程速度还是高速加工中心的开展重点，这不仅仍要依靠于驱动技术和数控技术的进一步开展，还要有赖于机床构件轻量化的开展和并联机床的开发。可以意料，在今后5年中，高速加工中心或者高速铣床的轴加速度有望到达34g,坐标轴的快速行程速度到达100140m/min。