五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床對(duì)模具業(yè)的重要意義

1、五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床對(duì)模具業(yè)的重要意義近年來， 我國的工業(yè)經(jīng)濟(jì)總體增長較快， 國際制造產(chǎn)業(yè)向中國快速轉(zhuǎn)移跡象明顯， 但尚 未擺脫產(chǎn)品檔次低、國際競爭力弱的局面。中國制造產(chǎn)品，除人工成本低外，其他如質(zhì)量、 款式、技術(shù)含量等方面均不具備競爭優(yōu)勢。當(dāng)前， 在國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中存在如此現(xiàn)象， 即高檔的產(chǎn)品非進(jìn)口即由進(jìn)口的機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)。 而 那些高精度機(jī)械設(shè)備除進(jìn)口外， 還有可能通過再上游的進(jìn)口裝備機(jī)械生產(chǎn)。 即每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)， 進(jìn)口的總比國產(chǎn)的要高一個(gè)檔次。 以手機(jī)為例， 雖然部分國產(chǎn)手機(jī)質(zhì)量超過進(jìn)口產(chǎn)品， 但機(jī) 殼大多由進(jìn)口模具生產(chǎn)。 而最高精度的模具又須借助高端進(jìn)口數(shù)控加工中心生產(chǎn)。 整個(gè)制造 業(yè)長期依賴進(jìn)

2、口設(shè)備， 導(dǎo)致惡性循環(huán)， 可能帶來三個(gè)結(jié)果： 一是始終不能獲得國際上最新最 好的技術(shù)設(shè)備。 導(dǎo)致中國的制造業(yè)永遠(yuǎn)停留在二流水平。 二是最終產(chǎn)品的大部分價(jià)值被發(fā)達(dá) 國家所獲取。 三是不能掌握整個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心技術(shù)， 國民經(jīng)濟(jì)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(dá)國家， 在大力發(fā)展本國數(shù)控、 模具產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ) 上，要積極推廣應(yīng)用高檔數(shù)控裝備， 包括適當(dāng)進(jìn)口國外先進(jìn)的數(shù)控加工中心。 因?yàn)楦邫n數(shù)控 機(jī)床、 模具處于制造產(chǎn)業(yè)鏈的最前端。 而模具產(chǎn)品質(zhì)量的高低， 很大程度上也是受制于數(shù)控 加工設(shè)備。 五軸聯(lián)動(dòng)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(dá)國家， 一直 把將五

3、軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資， 實(shí)行出口許可證制度。 發(fā)展中國家不但在 生產(chǎn)研發(fā)上有難度，而且在引進(jìn)方面也有很大的阻力。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床之所以重要， 在于它能夠加工具有復(fù)雜曲面的機(jī)械配件， 特別在解決 葉輪、葉片、船用螺旋槳、大型柴油機(jī)曲軸等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。因此，高精度的數(shù)控機(jī) 床對(duì)于一個(gè)國家的軍事、 航空航天、 精密醫(yī)療設(shè)備、科學(xué)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(jī)床首先是由美國、日本、 德國等發(fā)達(dá)國家開發(fā)研制的。 因此， 從目前情 況看，進(jìn)口的技術(shù)含量相對(duì)要比國產(chǎn)的好一些， 但是國內(nèi)部分企業(yè)研發(fā)的產(chǎn)品質(zhì)量也在逐步 趕上來。 要在適當(dāng)

4、引進(jìn)外國先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的基礎(chǔ)上， 注意消化吸收， 穩(wěn)步地發(fā)展本國的高 端數(shù)控產(chǎn)業(yè)。 一味地依賴進(jìn)口， 必將使中國的制造業(yè)乃止整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)受制于人。 但是人類 歷史任何一種科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(xué)技 術(shù)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(chǎn)業(yè)的層次比較多， 加上以五軸聯(lián)動(dòng)為代表的高檔數(shù)控機(jī)械價(jià)格昂貴， 在具體 的行業(yè)和企業(yè)引進(jìn)應(yīng)用上還應(yīng)實(shí)事求是。 有些加工精度要求較低的產(chǎn)品， 用一般加工設(shè)備更 加經(jīng)濟(jì)。 如寧波的釹鐵硼出口產(chǎn)業(yè)就是以寧波本地的中低檔數(shù)控機(jī)床為依托， 采用低成本策 略帶動(dòng)的。 在模具行業(yè)， 比如產(chǎn)生精密模、鑄造模企業(yè)用不

5、用高檔數(shù)控機(jī)床，對(duì)于提高模具 產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。在其它精密儀器、 航空航天、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)， 應(yīng)該鼓勵(lì)引進(jìn)尖端的 技術(shù)裝備。 一些在發(fā)展中的企業(yè)，可采用技術(shù)聯(lián)合的辦法，購買一些價(jià)值高的技術(shù)設(shè)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(shè)備的模具技術(shù)服務(wù)公司，由吉業(yè)、 車燈、 輝旺、鑫達(dá)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(wù)，減少進(jìn)口設(shè)備的重復(fù)投資， 為整個(gè)模具行業(yè)解決高科技難題。 如一臺(tái)具有國際先進(jìn)技術(shù) 的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，價(jià)格 1000 萬元左右，一般中小企業(yè)不但投資不起，且設(shè)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(wù)。 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(shè)備。同時(shí)用年薪100 多萬元聘請(qǐng)國外專家進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)。當(dāng)?shù)卣步o予了一定的補(bǔ)貼?？傊?， 在高端制造行業(yè)推廣和應(yīng)用以五軸聯(lián)動(dòng)為代表的數(shù)控機(jī)械裝備， 對(duì)于提高中國制 造產(chǎn)業(yè)的層次， 促進(jìn)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、 產(chǎn)品升級(jí)換代具有十分重要的意義。 不僅要鼓勵(lì)有經(jīng)濟(jì) 實(shí)力和戰(zhàn)略眼光的企業(yè)積極改造自身的技術(shù)裝備， 各級(jí)政府還應(yīng)正確引導(dǎo)， 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(dòng)向 近十多年來，由于刀具、驅(qū)動(dòng)、控制和機(jī)床等技術(shù)的不斷進(jìn)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

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(duì)一次裝夾下的模具坯件進(jìn)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(shí)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(dòng)技術(shù)的推動(dòng)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(dòng)方式上，已從直線運(yùn)動(dòng) （X/Y/Z 軸）的

8、伺服電機(jī)和滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)發(fā)展到目前的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（A 和 C 軸 ）采用了直接驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩電機(jī)， 有的公司并通過直線電機(jī)和轉(zhuǎn)矩電機(jī)使加工中心發(fā)展成全采用直 接驅(qū)動(dòng)的五軸加工中心。顯著提高了加工中心的行程速度、動(dòng)態(tài)性能和定位精度。高速加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)用于模具加工的高速加工中心， 一個(gè)普遍的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用龍門式框架結(jié)構(gòu)， 以此增強(qiáng) 機(jī)床剛性， 且便于充分利用加工區(qū)的空間。 機(jī)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(gè)直 線軸（X/Y

9、/Z）用于刀具運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)附加旋轉(zhuǎn)軸（A和C）用于工件的回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)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(gè)坐標(biāo)軸中 的一個(gè)擺動(dòng)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(shí)現(xiàn)主軸刀具的擺動(dòng)，而擺 動(dòng)主軸頭也可通過牢固夾緊， 使其定位在擺動(dòng)角度范圍內(nèi)的任意位置上。 這種

10、類型的機(jī)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(gè)別機(jī)床有把擺動(dòng)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(jià)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(jìn)行價(jià)格比較，五軸要比三軸的價(jià)格約高50%。五軸高速加工中心價(jià)格雖高， 但這種高檔機(jī)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

11、陡的型腔時(shí)， 可以通過工件或主軸頭的附加回轉(zhuǎn)及擺動(dòng)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(shí)的抖動(dòng)和刀具破損的危險(xiǎn)， 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(shí)， 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(dòng)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(dòng)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

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(shí)，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1800042000r/min，瑞士 Mikro 的高速加工中心XSM400U/XSM600U 其主軸轉(zhuǎn)速已達(dá) 54000 r/min 。而對(duì)于模具的微細(xì)銑削 （銑刀直徑一般采 用0.12mm），則需要更高的轉(zhuǎn)速。如德國Kugler公司的五軸高精度銃床，其最高主軸轉(zhuǎn)速達(dá) 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(shí)， 就可達(dá)到 150m/min 的切削速度。目前，德國 Frau

13、nhofer 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(shí)， 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(shí)可能產(chǎn)生的振動(dòng) 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(dòng)的傳感器，以便對(duì)電機(jī)、軸承和主軸的溫升、軸向位移和振動(dòng)進(jìn)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(jìn)給速度， 對(duì)加工參數(shù)進(jìn) 行優(yōu)化。當(dāng)主軸產(chǎn)生軸向位移，則可通過零點(diǎn)修正或軌跡修正來進(jìn)行補(bǔ)償。直線電機(jī) 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(jī)和滾珠絲杠來驅(qū)動(dòng)直線坐標(biāo)軸，但部分加

14、工中心已采用直線電機(jī)，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(dá)2g和快速行程速度達(dá) 90m/min） 。由于這種直線驅(qū)動(dòng)免去了將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)元件，從而可 顯著提高軸的動(dòng)態(tài)性能、移動(dòng)速度和加工精度。采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床可顯著提高生產(chǎn)率。例如在加工電火花加工用的電極時(shí)， 加工時(shí)間要比采用傳統(tǒng)高速銑床減少 50%。直線電機(jī)可以顯著提高高速機(jī)床的動(dòng)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(shí)， 刀具軸要不斷進(jìn)行制動(dòng)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(jìn)給量跟蹤給定的輪廓。如果曲面輪廓的曲率半徑愈小， 進(jìn)給速度愈高，那么要求的軸加速度愈高。因此， 機(jī)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(zhuǎn)矩電機(jī)在高速加工中心上， 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的擺動(dòng)以及叉形主軸頭的擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，已廣泛采用轉(zhuǎn)矩電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 轉(zhuǎn)矩電機(jī)是一種同步電機(jī)， 其轉(zhuǎn)子直接固定在所要驅(qū)動(dòng)的部件上， 所以 沒有機(jī)械傳動(dòng)元件， 它像直線電機(jī)一樣是直接驅(qū)動(dòng)裝置。 轉(zhuǎn)矩電機(jī)所能達(dá)到的角加速度要比 傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)高 6倍，在擺動(dòng)叉形主軸頭時(shí)加速度可達(dá)到3g。由于轉(zhuǎn)矩電機(jī)可達(dá)到極高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載剛性，從而提高了回轉(zhuǎn)軸和擺動(dòng)軸的定位精度和重復(fù)

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(jī)和轉(zhuǎn)矩電機(jī)來分別驅(qū)動(dòng)直線軸（X/Y/Z）和回轉(zhuǎn)擺動(dòng)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(yīng)該提及的是， 直接驅(qū)動(dòng)的直線軸與直接驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)軸相組合， 使機(jī)床所有的運(yùn)動(dòng)軸具 有較高的動(dòng)態(tài)性能和調(diào)節(jié)特性， 從而為高速度、 高精度和高表面質(zhì)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(jī)床加工的速度、精度和表面質(zhì)量。因此，對(duì)于加工模具自由曲面的高速機(jī)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(shí)， 由微段直線和圓弧構(gòu)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(jī)床控制系統(tǒng)來儲(chǔ)存和處理，因此，程序段處理時(shí)間的長短是決定CNC控制系統(tǒng)工作效率的重要指標(biāo)。目前，高檔 CNC控制系統(tǒng)的程序段處理時(shí)間一般可達(dá) 0.5ms（如 海德漢的 iTNC530 數(shù)控系統(tǒng) ），而個(gè)別數(shù)控系統(tǒng)的程序段處理時(shí)間已縮短到0.2 0.4ms。應(yīng)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(jìn)給速度所必要的很 短程序處理時(shí)間外， 還應(yīng)具有 Nurbs 和樣條插補(bǔ)功能， 并能以納米的分辨率進(jìn)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(zhì)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(jìn)行連接，數(shù)據(jù)從 CAD/CAM 系統(tǒng)經(jīng)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(fù)雜輪廓的加工獲得良好的效果， 并對(duì)縮短調(diào)整時(shí)間和編程時(shí)間做出 十分重要的貢獻(xiàn)。在上述所引述的五軸高速機(jī)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(jié)束語近十年來， 驅(qū)動(dòng)技術(shù)和控制系統(tǒng)的長足進(jìn)步， 推動(dòng)了加工中心結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新和性能的 不斷提高。 電主軸、 直線電機(jī)、 轉(zhuǎn)矩電機(jī)和快速數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)提高加工中心的高速、高 動(dòng)態(tài)和高加工精度起了決定性的作用。 而在模具加工機(jī)床的