五軸高速加工中心的發展動向

近十多年來，由于刀具、驅動、控制和機床等技術的不斷進步，高速加工和高效加工，特別是高速硬銑已在模具制造業中得到了廣泛應用和推廣，傳統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量，大幅度減少了加工時間，而且簡化了生產工藝流程，從而顯著縮短了模具的制造周期，降低了模具生產成本。 
　　高速加工中心不斷提高的工作性能是模具制造業得以高效和高精度加工模具的重要前提。近年來，在驅動技術的推動下，涌現出結構創新、性能優良的眾多不同類型的高速加工中心。90年代中后期出現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)現已發展到五軸高速加工中心。在驅動方式上，已從直線運動(X/Y/Z軸)的伺服電機和滾珠絲杠驅動發展到目前的直線電機驅動，回轉運動(A和C軸)采用了直接驅動的轉矩電機，有的公司并通過直線電機和轉矩電機使加工中心發展成全采用直接驅動的五軸加工中心。顯著提高了加工中心的行程速度、動態性能和定位精度。 
　　高速加工中心的結構特點及優點
　　用于模具加工的高速加工中心，一個普遍的結構特點是采用龍門式框架結構，以此增強機床剛性，且便于充分利用加工區的空間。機床床身的材料則多數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率，故有利于提高模具的加工精度。 
　　目前，根據坐標軸的配置，五軸加工中心基本上可分為兩種結構型式。一種是，三個直線軸(X/Y/Z)用于刀具運動和兩個附加旋轉軸(A和C)用于工件的回轉和擺動的結構型式。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，五個坐標軸中的一個擺動軸(A)設置在主軸頭上的結構型式，通過叉形主軸頭實現主軸刀具的擺動，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軸均設置在主軸頭上，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及擺動為立銑刀的加工創造最佳的工藝條件，并避免刀具及刀桿與型腔壁發生碰撞，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，應根據模具型腔幾何形狀的復雜程度和精度等要求來決定。 
    從高速加工中心不斷創新的過程中可以看出，充分利用當今技術領域里的最新成就，特別是利用驅動技術和控制技術的最新成果，是不斷提高加工中心高速性能、動態特性和加工精度的關鍵。 
    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速。目前，加工中心的主軸轉速大多在18000～42000r/min，瑞士Mikro的高速加工中心XSM400U/XSM600U其主軸轉速已達54000 r/min。而對于模具的微細銑削(銑刀直徑一般采用0.1～2mm)，則需要更高的轉速。如德國Kugler公司的五軸高精度銑床，其最高主軸轉速達160000 r/min(采用空氣軸承)，這樣的高轉速，當采用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生產技術研究所正在開發轉速為300000 r/min的空氣軸承支撐的主軸。 
　　加工模具時，總是采用很高的轉速，而高轉速產生的發熱，以及切削時可能產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控。由此為高速加工中心的數控系統提供修正數據，以修改主軸轉速和進給速度，對加工參數進行優化。當主軸產生軸向位移，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還是采用伺服電機和滾珠絲杠來驅動直線坐標軸，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)。由于這種直線驅動免去了將回轉運動轉換為直線運動的傳動元件，從而可顯著提高軸的動態性能、移動速度和加工精度。