1 引言

     在傳統的模具生產中, 一般用三軸立式加（jiā）工中心來加（jiā）工, 而後（hòu）需要大量的人工進行鉗工修整工作。而采用五軸加工時（shí）, 刀具- 工件的位姿角在加工過（guò）程中可隨時調整, 避（bì）免了刀具幹（gàn）涉, 使得一（yī）次裝夾就能完成複雜形狀零件（jiàn）的全部或大部分加工, 與多次裝夾相比, 顯著地縮短加工周期（qī）,提（tí）高（gāo）了加工精（jīng）度。而（ér）且在五軸加工（gōng）中, 刀頭可（kě）靈活地進入複雜的模具型腔內部, 這有利於短刀具采用更高的切削速（sù）度來進行加工, 避免刀具的顫動（dòng）, 提高加（jiā）工（gōng）精度[1]。

     目前, 切削加工正（zhèng）朝著高速化的方向發展, 結（jié）合高速切削的五軸加（jiā）工技（jì）術, 采用高的切削速度和進給速度, 大大縮短了切削加工時間並獲得更好（hǎo）的加工表麵質（zhì）量。在高速銑（xǐ）削加工過程中, 切削力大大減少, 使得（dé）刀具耐用度有較大（dà）幅度提高[2]。從提高（gāo）加工精度、縮短生產周期、降低人工成（chéng）本等（děng）角度出發, 為了提高競（jìng）爭力, 模具加工企業采用高速五軸加工技術, 正成為新的發展趨勢。

2 高速五軸機床的（de）結構特點

     市（shì）場上常見的五軸加工機床, 按以旋轉軸構成的型式（shì）來分可分為三類: 一是兩個旋轉軸都在（zài）工作台一側, 即兩軸旋轉工作（zuò）台（tái）; 二是一個旋轉軸在刀具一側, 另一個旋轉軸（zhóu）在工件一側, 即旋轉主軸（zhóu）頭加上旋（xuán）轉工作台; 三是兩個旋轉軸都在刀具一側, 即兩（liǎng）軸旋（xuán）轉主軸頭。

     2.1 雙旋轉工作台的高（gāo）速五軸機床

     雙旋轉工作台五軸加工機床的主軸不擺動, 兩個旋轉運動（dòng）均由雙旋轉（zhuǎn）工作台實現。雙旋（xuán）轉（zhuǎn）工作台（tái）中能作360°的回轉運動的（de）坐（zuò）標為（wéi）回轉坐（zuò）標, 另外一個（gè）作旋（xuán）轉運動的坐標一般不能作360°的旋轉, 稱之為擺動坐標, 故此工作台也稱（chēng）為旋轉/擺動工（gōng）作台( 圖1) 。

     德國Hermle 公司生產的C40U 高速（sù）五（wǔ）軸加工中心 ( 圖2) 屬於這種配置（zhì）的機床（chuáng）, 采用工作台雙擺動結構, 通過定軸A 的擺動和動軸C 的轉（zhuǎn）動實現五軸（zhóu）聯動加工。工作台擺動（dòng）角度大, 動態性能好, 適用於複雜曲麵加工( 含負角度加工（gōng）) 。機床的幾何精度及位置精度高的特點適合高（gāo）精度零件（jiàn）加工, 尤其孔係位置精度( 平行（háng）度, 重複度) 要求（qiú）高的零件加工。

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     Mikron 公司（sī）生產的HSM400U( 圖3) 的配置（zhì）有30000~60000r/min 的高速主軸( 用HSK E 40 高速刀柄) , 3 個直（zhí）線軸采用水冷（lěng）的大功率伺服電機驅動, 以保證高的動態性能, 工作台的轉動軸( B 軸和C 軸) 用轉矩電機驅動, 使得旋轉軸的速度也能與高速主軸和直線軸相匹配, 實現高速五軸加工。

     部分代表（biǎo）型（xíng）號的（de）雙旋轉工作（zuò）台高速五軸加（jiā）工（gōng）中心主要規格和性能（néng）指標見表1。

     雙旋轉工（gōng）作台五軸機床沒有傾斜（xié）擺動主軸頭, 這就減少了控製係統的迅速複雜運算量( number crunching) 。而（ér）且刀具的定位也不必考（kǎo）慮三角關係引起的變化, 刀具偏置量可以通過調整X、Y、Z 三個軸得到, 使得刀具（jù）路（lù）徑的計算更加簡單[9]。由於雙旋（xuán）轉工作台的機構（gòu）與剛性等因（yīn）素不容易實現大型化, 承載（zǎi）能力較低, 適合於中小型機床, 主要應用於中小型模具的加工。

     2.2 擺動主軸頭加旋轉工作台的高速五軸機床

     這（zhè）種型（xíng）式機床的兩個旋轉坐（zuò）標軸分別在工作台( 工件) 一側和主軸( 刀具) 一（yī）側,即采用帶擺動功能的主軸（zhóu）頭和旋（xuán）轉工作台來實現( 圖4) ,多為中型機床所采（cǎi）用。這種機床的配置（zhì）都是分別在（zài）主軸頭與工作（zuò）台各設計（jì）一組單軸旋轉（zhuǎn）軸, 在主軸頭上的旋轉軸繞X( Y) 軸旋轉的（de）A( B) 軸, 在工作台上的旋轉軸為繞Z軸旋轉的C 軸。DMG 的DMC 75V Linear( 圖5) 屬（shǔ）於這種配置的機床。表2 為部分這種（zhǒng）配置機床的規格參數對照。DMC 75V Linear 的直線軸采用直線電機驅動, 3 個（gè）直線軸的工作行程( X/Y/Z) 為885/600/600mm, 進給速度達90m/min, 加速度高達2g。主軸一側和工作台一（yī）側的旋轉軸均采用轉矩電機驅動。主軸（zhóu）頭繞X 軸作A 軸擺動,

     擺動角度為（wéi）- 10°~+110°, 工作（zuò）台繞Z 軸作（zuò）C 軸轉（zhuǎn）動, 轉（zhuǎn）動角為360°連續回轉。直接驅動的直線軸與直（zhí）接驅動的回轉軸相組合, 使機床所有的運動（dòng）軸具有較高的動態性能（néng）和調節特性, 從而為高速度、高精度和高表麵質量加工（gōng）模具自由曲麵提供（gòng）了良好的條件。

     這種型式配置的機床把旋轉軸分別放置於主軸與工作台兩側, 與使用（yòng）雙旋轉工作台的（de）機床相比較, 優點是剛性（xìng）高, 工作台的承載（zǎi）能（néng）力強。雙旋轉工作台為一個串聯機構, 而且空間上受到限製, 無法設計得足夠健壯, 導致整體剛性不足, 若將旋轉軸（zhóu）分開在主軸頭和工作台兩邊, 那麽結（jié）構（gòu）剛性的問題便（biàn）得到很好（hǎo）的解決, 工作台的工作台麵積與承載能力也遠大於（yú）傳統的雙（shuāng）旋轉工作台。

     2.3 雙旋轉（zhuǎn）主軸頭的高速五軸機床

     雙旋轉主軸頭五軸機床的兩個旋轉（zhuǎn）運動均由主軸來實現( 圖6) 。根據工作台移動與否可分為兩種機型, 一（yī）種

是工作台移動作X、Y、Z 三個坐標中的一個或多個直線運動, 另一種是工作（zuò）台固定, X、Y、Z 三個直線運動以及A( B) 、C 軸的轉動由主（zhǔ）軸（zhóu）頭實現。後一種型式較為常見（jiàn）, 應用也比較（jiào）廣泛, 代表性產品有意大利FIDIA 公司（sī）的K211 高速五軸加工中心( 圖7) 。該加工中（zhōng）心配置自（zì）行生產的雙旋轉主軸頭M5A/55, 配置了高速主軸係統, 采用（yòng）HSK- A 63 高速刀柄。這種機床的特點是工件 ( 工作台) 不動（dòng）, 5 個坐標運（yùn）動都（dōu）由具有（yǒu）轉（zhuǎn）動和擺動功能的（de）主軸頭來完（wán）成, 主軸加工非常靈活, 工作台可以設計得非常大, 適（shì）合於加工具有複（fù）雜形麵的汽車覆蓋（gài）件、汽車儀表盤等（děng）大（dà）型模具。這種機床還有一大優（yōu）點: 在使用球頭銑刀加工曲麵時, 當刀具中心線垂直（zhí）於加工麵時, 由於球麵銑刀避開定點切削, 保證有一定的線速度, 可提高表麵加工質量（liàng）。由於這一優點, 這種結構非常適合於模（mó）具高精度曲麵的加工, 比工作台回轉式加工中心更有（yǒu）優勢。表3 為雙旋（xuán）轉主（zhǔ）軸頭（tóu）高速五軸加工中心（xīn）部（bù）分代表型（xíng）號的性能規（guī）格表。

3 高速五軸（zhóu）加工機床的關鍵技術

     高速主軸、驅動技術和控製（zhì）技術是提高（gāo）五軸加工中心（xīn）高速性能、動態特性和加（jiā）工精度的關鍵。

     ( 1) 電主軸

     在模具自由曲麵和複雜（zá）輪廓的加工中, 常常采用小直（zhí）徑刀具, 而要實現高的切削速度, 主軸必須具有很高的轉速。目（mù）前高速加工中心的電主軸轉速大多在18000～42000r/min。對於模具（jù）的微細銑削(銑刀直徑一般采用（yòng）0.1～2mm), 則需要更高（gāo）的轉速。

     ( 2) 直線電機

     由於模具大多數是三維曲麵, 刀（dāo）具在（zài）加（jiā）工（gōng）曲麵時, 刀具軸要不斷進行製動和加速, 隻有通過較高的軸加速度才能在很高（gāo）的軌跡（jì）速度情況下, 在較短的（de）軌跡路徑上確保以恒定的每齒進給（gěi）量跟蹤給定的輪廓。如果曲（qǔ）麵輪廓的（de）曲率（lǜ）半徑愈小, 進給速度愈高, 那麽（me）要求的軸加速度愈（yù）高。因（yīn）此, 機床的軸加速度在很大（dà）程度（dù）上影響到模具的（de）加工精度和刀具的耐用（yòng）度。目前, 模具加工用的高速加工中心大多還是采用伺服電機和滾珠絲（sī）杠來驅動直（zhí）線（xiàn）坐（zuò）標軸, 但（dàn）部分加工中（zhōng）心已采用直線電機, 如德國DMG 公司的DMC75V Linear 高速五軸加工中心（xīn）。采（cǎi）用直（zhí）線電機驅（qū）動免去了將回轉運動轉換為直（zhí）線運動（dòng）的傳動元件（jiàn）, 從而顯著提高軸的動態性能、移動速度和加工精度。

     ( 3) 轉矩電機

     在高速五軸加工中（zhōng）心上, 回轉工作台和主軸頭的擺動和回轉運動, 已廣泛采用轉矩電機來實現（xiàn）。采用轉矩電機直接驅動的回轉（zhuǎn）工作台如圖8所示。轉矩電機是一種（zhǒng）同步電機（jī）, 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（jiàn）, 它像直線電機（jī）一樣是（shì）直接驅動裝置。轉矩電機有著大扭矩輸出、高伺服響應、無接觸傳動(無磨（mó）耗)、無傳動背隙等特（tè）點, 所能（néng）達到的角加速度（dù）要比傳（chuán）統的蝸輪蝸杆（gǎn）傳動高6 倍, 在擺動主（zhǔ）軸頭上加速度可達到3g。使（shǐ）用轉矩電（diàn）機替代蝸輪/蝸（wō）杆和齒輪傳動結構可以將機（jī）構簡化, 並提高機構（gòu）的靜態和動態負載剛性, 這大幅度提高了旋轉工作台和主軸頭的動態性能（néng）, 進而提（tí）高（gāo）回轉軸和擺動軸的定位精度和（hé）重複定位精度。

     ( 4) 控製係統

     五軸機床（chuáng）的運動是5 個坐（zuò）標軸運動的（de）合成, 旋轉坐（zuò）標的加入使得運動學比三（sān）軸機床要複雜得多, 插補運算量非常大, 而且旋轉坐標的微（wēi）小誤差就會大幅度（dù）降低加工精度。因此, 要實（shí）現高速五軸（zhóu）加工, 數控係統必須具有良好的伺服性能及高速控（kòng）製能力, 更高（gāo）的運算速度和精（jīng）度, 而（ér）且還需具備（bèi）刀具（jù）中心點管理控製（zhì）能力; 實時的刀長和刀徑自動補償和機床幾何自動補償功能; 支（zhī）持（chí）傾（qīng）斜工作麵和圓柱麵加工[6]。目前應用在高速五軸加工中心常見的數控係統主要有德國Siemens 公司的840D和Heidenhain公司的iTNC530。

4 結（jié）束語

     高速五軸（zhóu）加工作為一種先（xiān）進加（jiā）工技術, 在歐美等工業發達國家的汽車、模具、航（háng）天航空等領域已經得到了相當普及的應（yīng）用。隨著人們（men）對產（chǎn）品質量要求的提高, 模具的（de）結構越來越複雜, 其交貨期越來越短, 鑒於五軸加工技的諸多優勢, 以及五軸機床產品的價格逐漸降低, 可以預見高（gāo）速五軸聯（lián）動加工在我（wǒ）國模具製造領域的應用會越來越廣泛。