五轴联动数控机床对模具业的重要意义

19910124曼

五轴联动数控机床对模具业的重要意义
近年来，我国的工业经济总体增长较快，国际制造产业向中国快速转移迹象明显，但尚未摆脱产品档次低、国际竞争力弱的局面。中国制造产品，除人工成本低外，其他如质量、款式、技术含量等方面均不具备竞争优势。当前，在国内经济发展中存在如此现象，即高档的产品非进口即由进口的机械设备生产。而那些高精度机械设备除进口外，还有可能通过再上游的进口装备机械生产。即每个生产环节，进口的总比国产的要高一个档次。以手机为例，虽然部分国产手机质量超过进口产品，但机壳大多由进口模具生产。而最高精度的模具又须借助高端进口数控加工中心生产。整个制造业长期依赖进口设备，导致恶性循环，可能带来三个结果：一是始终不能获得国际上最新最好的技术设备。导致中国的制造业永远停留在二流水平。二是最终产品的大部分价值被发达国家所获取。三是不能掌握整个经济发展的核心技术，国民经济的命脉始终掌握在他人手里。
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% w: N$ @5 k5 S因此，笔者认为，中国要在制造业方面赶上或超过发达国家，在大力发展本国数控、模具产业基础上，要积极推广应用高档数控装备，包括适当进口国外先进的数控加工中心。因为高档数控机床、模具处于制造产业链的最前端。而模具产品质量的高低，很大程度上也是受制于数控加工设备。五轴联动是高档数控的代表。长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直把将五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度。发展中国家不但在生产研发上有难度，而且在引进方面也有很大的阻力。
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! P9 l( {5 c5 {0 f" S五轴联动数控机床之所以重要，在于它能够加工具有复杂曲面的机械配件，特别在解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、大型柴油机曲轴等方面具有独特的优势。因此，高精度的数控机床对于一个国家的军事、航空航天、精密医疗设备、科学研究、精密仪器等行业有着举足轻重的影响力，堪称“制造业之灵魂”。

* I6 L  z( s7 z* ^& S) v现代化的数控机床首先是由美国、日本、德国等发达国家开发研制的。因此，从目前情况看，进口的技术含量相对要比国产的好一些，但是国内部分企业研发的产品质量也在逐步赶上来。要在适当引进外国先进技术和设备的基础上，注意消化吸收，稳步地发展本国的高端数控产业。一味地依赖进口，必将使中国的制造业乃止整个国民经济受制于人。但是人类历史任何一种科学技术的进步，都是站在巨人的肩膀上发展的，摒弃别国现有的尖端科学技术不用，无疑也是一种闭门造车和夜郎自大的思想。

由于中国产业的层次比较多，加上以五轴联动为代表的高档数控机械价格昂贵，在具体的行业和企业引进应用上还应实事求是。有些加工精度要求较低的产品，用一般加工设备更加经济。如宁波的钕铁硼出口产业就是以宁波本地的中低档数控机床为依托，采用低成本策略带动的。在模具行业，比如产生精密模、铸造模企业用不用高档数控机床，对于提高模具产品的质量至关重要。在其它精密仪器、航空航天、医疗设备等行业，应该鼓励引进尖端的技术装备。一些在发展中的企业，可采用技术联合的办法，购买一些价值高的技术设备。如宁波北仑有一家三创公司，这是一家具有国际一流加工设备的模具技术服务公司，由吉业、车灯、辉旺、鑫达等5家企业共同出资组建。成立的总旨就是专门为北仑的中小模具企业服务，减少进口设备的重复投资，为整个模具行业解决高科技难题。如一台具有国际先进技术的五轴联动加工中心，价格1000万元左右，一般中小企业不但投资不起，且设备利用率不高。通过共同投资形式，不仅解决出资企业的加工难题，而且可以为更多的中小企业服务。这家企业一期共投资8000余万元，用于购置国外高档加工设备。同时用年薪100多万元聘请国外专家进行技术指导。当地政府也给予了一定的补贴。
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总之，在高端制造行业推广和应用以五轴联动为代表的数控机械装备，对于提高中国制造产业的层次，促进企业技术进步、产品升级换代具有十分重要的意义。不仅要鼓励有经济实力和战略眼光的企业积极改造自身的技术装备，各级政府还应正确引导，并给予企业一定的政策扶持。
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  V+ c" e  j2 C0 n% e  d7 ~+ c五轴高速加工中心的发展动向
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。
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: ]5 m4 C' N: v0 q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。
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高速加工中心的结构特点及优点

3 R0 v2 `0 P+ i$ P& K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。
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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。
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* w' Q9 e1 G' m3 {' a( H# a: R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。

! ]" T! r- G4 j7 n8 `电主轴

& H- U% u' u6 Z- G% a0 s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2～12mm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18000～42000r/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0.1～2mm)，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。

; Q2 ]4 z/ |$ ^7 V* u直线电机
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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Röders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。
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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%。

3 M4 ^6 h0 p; Z8 _& M+ l3 Y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。

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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。

/ |5 v) p+ r/ G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歞er的RXP500DS/RXP800DS,德马吉的DMC75V linear和Edel的CyPort五轴龙门铣床。
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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。
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控制系统
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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0.2～0.4ms。
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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。
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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。
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在上述所引述的五轴高速机床上，除R歞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。
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( _4 K# L3 V2 F% W' N; n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3～4g,坐标轴的快速行程速度达到100～140m/min。