五軸聯(lián)動數(shù)控機床對模具業(yè)的重要意義

1、五軸聯(lián)動數(shù)控機床對模具業(yè)的重要意義近年來， 我國的工業(yè)經濟總體增長較快， 國際制造產業(yè)向中國快速轉移跡象明顯， 但尚 未擺脫產品檔次低、國際競爭力弱的局面。中國制造產品，除人工成本低外，其他如質量、 款式、技術含量等方面均不具備競爭優(yōu)勢。當前， 在國內經濟發(fā)展中存在如此現(xiàn)象， 即高檔的產品非進口即由進口的機械設備生產。 而 那些高精度機械設備除進口外， 還有可能通過再上游的進口裝備機械生產。 即每個生產環(huán)節(jié)， 進口的總比國產的要高一個檔次。 以手機為例， 雖然部分國產手機質量超過進口產品， 但機 殼大多由進口模具生產。 而最高精度的模具又須借助高端進口數(shù)控加工中心生產。 整個制造 業(yè)長期依賴進

2、口設備， 導致惡性循環(huán)， 可能帶來三個結果： 一是始終不能獲得國際上最新最 好的技術設備。 導致中國的制造業(yè)永遠停留在二流水平。 二是最終產品的大部分價值被發(fā)達 國家所獲取。 三是不能掌握整個經濟發(fā)展的核心技術， 國民經濟的命脈始終掌握在他人手里。因此， 中國要在制造業(yè)方面趕上或超過發(fā)達國家， 在大力發(fā)展本國數(shù)控、 模具產業(yè)基礎 上，要積極推廣應用高檔數(shù)控裝備， 包括適當進口國外先進的數(shù)控加工中心。 因為高檔數(shù)控 機床、 模具處于制造產業(yè)鏈的最前端。 而模具產品質量的高低， 很大程度上也是受制于數(shù)控 加工設備。 五軸聯(lián)動是高檔數(shù)控的代表。 長期以來，以美國為首的西方工業(yè)發(fā)達國家， 一直 把將五

3、軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資， 實行出口許可證制度。 發(fā)展中國家不但在 生產研發(fā)上有難度，而且在引進方面也有很大的阻力。五軸聯(lián)動數(shù)控機床之所以重要， 在于它能夠加工具有復雜曲面的機械配件， 特別在解決 葉輪、葉片、船用螺旋槳、大型柴油機曲軸等方面具有獨特的優(yōu)勢。因此，高精度的數(shù)控機 床對于一個國家的軍事、 航空航天、 精密醫(yī)療設備、科學研究、精密儀器等行業(yè)有著舉足輕 重的影響力，堪稱“制造業(yè)之靈魂” 。現(xiàn)代化的數(shù)控機床首先是由美國、日本、 德國等發(fā)達國家開發(fā)研制的。 因此， 從目前情 況看，進口的技術含量相對要比國產的好一些， 但是國內部分企業(yè)研發(fā)的產品質量也在逐步 趕上來。 要在適當

4、引進外國先進技術和設備的基礎上， 注意消化吸收， 穩(wěn)步地發(fā)展本國的高 端數(shù)控產業(yè)。 一味地依賴進口， 必將使中國的制造業(yè)乃止整個國民經濟受制于人。 但是人類 歷史任何一種科學技術的進步， 都是站在巨人的肩膀上發(fā)展的， 摒棄別國現(xiàn)有的尖端科學技 術不用，無疑也是一種閉門造車和夜郎自大的思想。由于中國產業(yè)的層次比較多， 加上以五軸聯(lián)動為代表的高檔數(shù)控機械價格昂貴， 在具體 的行業(yè)和企業(yè)引進應用上還應實事求是。 有些加工精度要求較低的產品， 用一般加工設備更 加經濟。 如寧波的釹鐵硼出口產業(yè)就是以寧波本地的中低檔數(shù)控機床為依托， 采用低成本策 略帶動的。 在模具行業(yè)， 比如產生精密模、鑄造模企業(yè)用不

5、用高檔數(shù)控機床，對于提高模具 產品的質量至關重要。在其它精密儀器、 航空航天、醫(yī)療設備等行業(yè)， 應該鼓勵引進尖端的 技術裝備。 一些在發(fā)展中的企業(yè)，可采用技術聯(lián)合的辦法，購買一些價值高的技術設備。如 寧波北侖有一家三創(chuàng)公司，這是一家具有國際一流加工設備的模具技術服務公司，由吉業(yè)、 車燈、 輝旺、鑫達等 5家企業(yè)共同出資組建。 成立的總旨就是專門為北侖的中小模具企業(yè)服 務，減少進口設備的重復投資， 為整個模具行業(yè)解決高科技難題。 如一臺具有國際先進技術 的五軸聯(lián)動加工中心，價格 1000 萬元左右，一般中小企業(yè)不但投資不起，且設備利用率不 高。通過共同投資形式，不僅解決出資企業(yè)的加工難題，而且可

6、以為更多的中小企業(yè)服務。 這家企業(yè)一期共投資 8000 余萬元，用于購置國外高檔加工設備。同時用年薪100 多萬元聘請國外專家進行技術指導。當?shù)卣步o予了一定的補貼?？傊?， 在高端制造行業(yè)推廣和應用以五軸聯(lián)動為代表的數(shù)控機械裝備， 對于提高中國制 造產業(yè)的層次， 促進企業(yè)技術進步、 產品升級換代具有十分重要的意義。 不僅要鼓勵有經濟 實力和戰(zhàn)略眼光的企業(yè)積極改造自身的技術裝備， 各級政府還應正確引導， 并給予企業(yè)一定 的政策扶持。五軸高速加工中心的發(fā)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(yè)中得到了廣泛應用和推廣，傳統(tǒng)的

7、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(yè)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(xiàn)出結構創(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。在驅動方式上，已從直線運動 （X/Y/Z 軸）的

8、伺服電機和滾珠絲杠驅動發(fā)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(fā)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(tài)性能和定位精度。高速加工中心的結構特點及優(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(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率，故有利于提高模具的加工精度。目前， 根據(jù)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

9、/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(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的任意位置上。 這種

10、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高速銃削中心和德國 Edel公司的五軸或六軸龍門銃床。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雜的模具。五軸加工中心在加工較深、較

11、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(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(jù)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(chuàng)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(tài)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

12、常采 用212mm較小直徑的立銃刀，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1800042000r/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0.12mm），則需要更高的轉速。如德國Kugler公司的五軸高精度銃床，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 Frau

13、nhofer 生產技術研究所正在開發(fā)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(fā)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(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)， 以修改主軸轉速和進給速度， 對加工參數(shù)進 行優(yōu)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(shù)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

14、工中心已采用直線電機，例如德國R?ders公司的RXP500DS/RXP800DS型高速銃床和德吉馬公司的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(tài)性能、移動速度和加工精度。采用直線電機驅動的機床可顯著提高生產率。例如在加工電火花加工用的電極時， 加工時間要比采用傳統(tǒng)高速銑床減少 50%。直線電機可以顯著提高高速機床的動態(tài)性能。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

15、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。轉矩電機在高速加工中心上， 回轉工作臺的擺動以及叉形主軸頭的擺動和回轉等運動，已廣泛采用轉矩電機來實現(xiàn)。 轉矩電機是一種同步電機， 其轉子直接固定在所要驅動的部件上， 所以 沒有機械傳動元件， 它像直線電機一樣是直接驅動裝置。 轉矩電機所能達到的角加速度要比 傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動高 6倍，在擺動叉形主軸頭時加速度可達到3g。由于轉矩電機可達到極高的靜態(tài)和動態(tài)負載剛性，從而提高了回轉軸和擺動軸的定位精度和重復

16、精度。目前，已有部分廠家的高速加工中心，已采用直線電機和轉矩電機來分別驅動直線軸（X/Y/Z）和回轉擺動軸（C 和 A）。如 R 歞 er 的 RXP500DS/RXP800DS,德馬吉的 DMC75V linear 和 Edel 的 CyPort 五軸龍門銑床。應該提及的是， 直接驅動的直線軸與直接驅動的回轉軸相組合， 使機床所有的運動軸具 有較高的動態(tài)性能和調節(jié)特性， 從而為高速度、 高精度和高表面質量加工模具自由曲面提供 了最佳條件?？刂葡到y(tǒng)CNC 控制系統(tǒng)是高速加工中心的重要組成部分，它在很大程度上決定著機床加工的速度、精度和表面質量。因此，對于加工模具自由曲面的高速機床，數(shù)控系統(tǒng)的性

17、能具有特別重要的意義。加工高精度自由曲面時， 由微段直線和圓弧構成的刀具軌跡造成龐大的零件程序，這些數(shù)據(jù)流需要由機床控制系統(tǒng)來儲存和處理，因此，程序段處理時間的長短是決定CNC控制系統(tǒng)工作效率的重要指標。目前，高檔 CNC控制系統(tǒng)的程序段處理時間一般可達 0.5ms（如 海德漢的 iTNC530 數(shù)控系統(tǒng) ），而個別數(shù)控系統(tǒng)的程序段處理時間已縮短到0.2 0.4ms。應用于模具高速加工的現(xiàn)代 CNC 數(shù)控系統(tǒng)，除了具有為確保高速進給速度所必要的很 短程序處理時間外， 還應具有 Nurbs 和樣條插補功能， 并能以納米的分辨率進行工作， 以便 在高速加工的情況下獲得高的加工精度和表面質量。目前，

18、高檔的數(shù)控系統(tǒng)也都能與不同廠家的 CAD/CAM 系統(tǒng)進行連接，數(shù)據(jù)從 CAD/CAM 系統(tǒng)經以太網(wǎng)以很高的速度傳送到控制系統(tǒng)上。 CAD/CAM 集成到控制系統(tǒng)上， 在很大程度上能使模具復雜輪廓的加工獲得良好的效果， 并對縮短調整時間和編程時間做出 十分重要的貢獻。在上述所引述的五軸高速機床上，除 R 歞 er 公司是采用自己開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)外，其它 主要是采用了西門子的 840D 和海德漢公司的 iTNC530 數(shù)控系統(tǒng)。結束語近十年來， 驅動技術和控制系統(tǒng)的長足進步， 推動了加工中心結構的不斷創(chuàng)新和性能的 不斷提高。 電主軸、 直線電機、 轉矩電機和快速數(shù)控系統(tǒng)的應用對提高加工中心的高速、高 動態(tài)和高加工精度起了決定性的作用。 而在模具加工機床的