| 五軸高速加工中心的發(fā)展新動(dòng)向--1
近十多年來(lái)，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)的電火花加工在很多場(chǎng)合已被高速硬銑所替代。通過(guò)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(jiǎn)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(lái)，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(guò)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/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(guó)R der公司的RXP500DS/RXP800DS，德國(guó)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(guó)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(guò)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(guò)牢固夾緊，使其定位在擺動(dòng)角度范圍內(nèi)的任意位置上。這種類型的機(jī)床如德國(guó)德馬吉公司的DMC75V linear/DMC105V linear，Mikro的HPM1850U和德國(guó)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(guó)Parat公司的G996V/BSH/5A 高速銑削中心和德國(guó)Edel公司的五軸或六軸龍門銑床。
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(lái)加工幾何形狀復(fù)雜的模具。五軸加工中心在加工較深、較陡的型腔時(shí)，可以通過(guò)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(gòu)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(lái)決定。
從高速加工中心不斷創(chuàng)新的過(guò)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(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18000～42000r/min，瑞士Mikro的高速加工中心XSM400U/XSM600U其主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)54000r/min。而對(duì)于模具的微細(xì)銑削(銑刀直徑一般采用0.1～2mm)，則需要更高的轉(zhuǎn)速。如德國(guó)Kugler公司的五軸高精度銑床，其最高主軸轉(zhuǎn)速達(dá)160000r/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(guó)Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)研究所正在開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)速為300000r/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(lái)測(cè)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(guò)零點(diǎn)修正或軌跡修正來(lái)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(lái)驅(qū)動(dòng)直線坐標(biāo)軸，但部分加工中心已采用直線電機(jī)，例如德國(guó)R ders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(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(guò)較高的軸加速度才能在很高的軌跡速度情況下，在較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。
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