1 引（yǐn）言

     在傳統的模具生（shēng）產（chǎn）中, 一般用三軸立式加工（gōng）中心來加工, 而後需要大（dà）量的人工進行鉗工修整工作。而采用五（wǔ）軸加工時, 刀具- 工件的位姿角在加工過程（chéng）中可隨時調（diào）整, 避免了刀具幹涉, 使得一次裝夾就能完成複雜形狀（zhuàng）零件的全部或大部（bù）分加工, 與多次（cì）裝（zhuāng）夾相比, 顯著地縮短加工周期,提高了加工（gōng）精度。而且（qiě）在五軸加工中, 刀頭可靈活地（dì）進入複雜的模具型腔內部, 這有利於短刀具采用更（gèng）高的切削速度來進行加工, 避免刀具的顫動, 提高加（jiā）工精度[1]。

     目前, 切削加工正朝著高速化的方向發（fā）展, 結合高速切（qiē）削的五軸加工技術, 采用高的切削速度和進給（gěi）速度, 大大（dà）縮短了（le）切削加工時間並獲得更好的加工表麵質量。在高速銑削加工過程中, 切削力大大減少, 使得刀具耐（nài）用度有較大幅度提高[2]。從提高加工精度、縮短生產周期、降（jiàng）低人工成本等角度出發, 為了提高競爭力, 模具加工企業采用高速（sù）五軸（zhóu）加工技術, 正成（chéng）為新的發展（zhǎn）趨勢。

2 高速五軸機床的結（jié）構特點

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

     2.1 雙旋轉（zhuǎn）工（gōng）作台的高速五軸機床

     雙旋轉工作台五軸加工機床的主軸不擺動, 兩個旋轉運動均由雙旋轉工作台實（shí）現。雙旋轉工作（zuò）台中能作360°的回轉運動的坐（zuò）標為回轉坐標, 另外一個作旋轉（zhuǎn）運動的坐標一般不能作360°的旋轉, 稱之（zhī）為擺動（dòng）坐標, 故此工作台也稱為旋轉/擺動工作（zuò）台( 圖（tú）1) 。

     德國Hermle 公司生產（chǎn）的C40U 高速五軸加工中（zhōng）心 ( 圖2) 屬於這種（zhǒng）配置（zhì）的（de）機床, 采用工作台雙（shuāng）擺動結構, 通過定軸A 的（de）擺動和（hé）動軸C 的轉動實現五軸（zhóu）聯動加（jiā）工。工作台（tái）擺動角度大, 動態性能（néng）好（hǎo）, 適用於複雜曲麵加工（gōng）( 含負角度加工) 。機床的幾何精度及位置精度高的特點適合高精度零件加工, 尤其孔係位置（zhì）精度( 平行（háng）度, 重複度) 要求高的零件加工。

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     Mikron 公司生產的（de）HSM400U( 圖3) 的配置有30000~60000r/min 的高速（sù）主軸( 用HSK E 40 高速刀柄) , 3 個直線軸采用水（shuǐ）冷的大功（gōng）率伺服（fú）電機驅動, 以保證高的動（dòng）態性能, 工作台的轉動軸( B 軸和C 軸) 用轉（zhuǎn）矩電機驅動, 使得（dé）旋（xuán）轉（zhuǎn）軸的速度也能與高速主軸（zhóu）和（hé）直線（xiàn）軸相匹配, 實現（xiàn）高速五軸加（jiā）工。

     部分代表型號的雙（shuāng）旋轉工（gōng）作台高速五軸加工中心主（zhǔ）要規格和性能指標見表1。

     雙旋轉工作（zuò）台五軸機床沒（méi）有傾斜擺動主軸頭（tóu）, 這就減少了控製係統的迅速複雜運算量( number crunching) 。而且刀具的定位也不必考慮三角關係（xì）引起的變化, 刀具偏置量可以通過調整X、Y、Z 三個軸得到, 使得刀具路徑的計算更加簡單[9]。由於雙旋轉工作台的機構與剛性等（děng）因素不容易實現大型化, 承載能力較低, 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（gōng）作台的高速五軸機床

     這種（zhǒng）型式機床的兩個旋轉坐標軸分別在（zài）工作台（tái）( 工件) 一側和主軸( 刀（dāo）具) 一側,即采用帶擺動功能的（de）主軸頭和旋（xuán）轉工作台來實現( 圖4) ,多為中型機床所采用。這種機床的配置都是分別在主軸頭與工作台（tái）各設計一組單軸旋轉軸, 在主軸頭上的旋轉軸繞（rào）X( Y) 軸旋轉的A( B) 軸, 在（zài）工作台上的旋轉軸為繞Z軸（zhóu）旋轉的（de）C 軸（zhóu）。DMG 的DMC 75V Linear( 圖5) 屬於這種配（pèi）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 個直線（xiàn）軸的工作行程( X/Y/Z) 為885/600/600mm, 進給（gěi）速度達90m/min, 加速度高達2g。主軸一（yī）側和工作（zuò）台一（yī）側的（de）旋（xuán）轉軸均（jun1）采用轉矩電機驅動。主軸頭繞X 軸作A 軸擺動,

     擺動角度為- 10°~+110°, 工作台繞（rào）Z 軸作C 軸轉（zhuǎn）動, 轉動角為360°連續回轉。直接驅動的直線軸與（yǔ）直（zhí）接驅動的回轉軸相組合（hé）, 使機床（chuáng）所有的運動軸（zhóu）具有較高的動態性能和調節特性（xìng）, 從而為高速度、高精度和高表麵（miàn）質量加工模具自由曲麵提（tí）供了良好的條件。

     這種型式（shì）配置的（de）機床把旋轉（zhuǎn）軸分別放（fàng）置於主軸與工（gōng）作台兩側, 與使用雙旋轉工作台的機床相比較, 優點是剛性高, 工作台的承載能力（lì）強。雙旋轉工作台為一個串聯機構, 而且（qiě）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（ruò）將旋（xuán）轉（zhuǎn）軸（zhóu）分開在主軸頭和工作台兩邊, 那麽結構剛性的問題便得到很（hěn）好的解決, 工（gōng）作台的工作台麵積（jī）與承（chéng）載能力也遠大於傳統的雙旋轉（zhuǎn）工作台。

     2.3 雙旋轉主軸頭的高速五軸機（jī）床

     雙旋轉主軸頭五（wǔ）軸機床（chuáng）的兩個旋轉運動均由（yóu）主軸來實現( 圖6) 。根據工作台移（yí）動與（yǔ）否可分為兩種機型, 一種

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, 另一種是工作台固定, X、Y、Z 三個直線運動以及A( B) 、C 軸的轉動由主軸頭實現。後一種型式較為常見, 應用也比（bǐ）較廣泛（fàn）, 代表性（xìng）產品有意大利FIDIA 公司的K211 高（gāo）速五軸加工中心( 圖7) 。該加工（gōng）中心配（pèi）置自行生（shēng）產的雙旋（xuán）轉主軸頭M5A/55, 配置了高速主（zhǔ）軸係統, 采用HSK- A 63 高速刀柄。這種機床的特（tè）點（diǎn）是（shì）工件 ( 工作台) 不動, 5 個（gè）坐（zuò）標運（yùn）動都由具有轉動和擺動功能（néng）的（de）主（zhǔ）軸頭（tóu）來完成, 主軸加工非常靈活, 工作台可以設計得非（fēi）常大, 適合於加工具有複雜形麵的汽車覆（fù）蓋件、汽車儀表盤等大型模具。這種機床還有一大優點: 在使用（yòng）球頭銑刀（dāo）加工曲麵時, 當（dāng）刀具中心線垂直於加工麵時, 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。由於這（zhè）一優點, 這種（zhǒng）結構非常適合於模具高精度曲麵的（de）加工, 比（bǐ）工作台回轉式加工（gōng）中心更有優勢。表3 為雙旋轉主軸頭（tóu）高速五軸加（jiā）工中心部分代表型號的性能規格表。

3 高速五軸加（jiā）工機床的關鍵技術

     高速主軸、驅動技術和控製技術（shù）是提高五軸加工中心高速性能（néng）、動（dòng）態特性和加工（gōng）精（jīng）度的關（guān）鍵。

     ( 1) 電主軸

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

     ( 2) 直線（xiàn）電（diàn）機

     由於模具大多數是三維曲麵, 刀（dāo）具（jù）在加工曲麵時, 刀具軸要不斷進行（háng）製動和加速, 隻有通過較高的軸加速度才能在很高的軌跡速度情況（kuàng）下, 在較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。如果曲麵輪廓的曲率半徑愈小, 進給速度愈高, 那麽要求的軸加（jiā）速度愈（yù）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（hé）刀具的（de）耐用度。目前, 模具加工用的高速加工中心大多還是采用伺服電（diàn）機和滾珠絲杠（gàng）來驅動直線（xiàn）坐標軸, 但部分加（jiā）工（gōng）中心（xīn）已采用直線電（diàn）機, 如（rú）德國DMG 公司的DMC75V Linear 高速五軸（zhóu）加工中心（xīn）。采用直線電機驅動免去了將回轉運動轉換為（wéi）直（zhí）線運動的傳動元件, 從而顯著提高軸的動（dòng）態性能、移動速（sù）度和加工精（jīng）度。

     ( 3) 轉矩電機（jī）

     在高速五軸加工中心上, 回轉工作台和主軸頭的擺動和回（huí）轉運（yùn）動, 已廣泛（fàn）采用轉矩電機來實現。采用（yòng）轉矩電機（jī）直接驅動的回轉工作台如圖8所示。轉矩電機（jī）是一種同步電機, 其轉子直（zhí）接固定在所要驅動的（de）部件上, 所以沒有機械傳動（dòng）元件, 它像直線電機一樣是直接驅動裝置。轉矩電機有（yǒu）著（zhe）大扭（niǔ）矩輸出、高伺服響應、無接觸傳動(無磨耗)、無（wú）傳動背隙（xì）等特（tè）點, 所能達到的角加速度要比傳統的蝸輪蝸杆傳動高6 倍, 在擺動主軸頭上加速度可達到3g。使用轉矩電機替代蝸輪（lún）/蝸杆和齒輪（lún）傳動結構可以將機構簡化, 並提高機構的（de）靜態和動態負載（zǎi）剛性, 這（zhè）大（dà）幅度提高了旋轉工作台和主軸（zhóu）頭的動態性能, 進而提高回轉軸和擺動軸的定位（wèi）精度和（hé）重（chóng）複定位精度。

     ( 4) 控製係統（tǒng）

     五軸機床的運動是5 個坐標（biāo）軸運動的（de）合成, 旋轉坐標的加入使得運動學比三軸機床要複雜得（dé）多, 插補運算量非常大, 而且旋轉坐標的微小誤差就（jiù）會大幅（fú）度降低加工精（jīng）度。因此, 要實現高速五軸加工, 數控係統必須具有良好的伺服性能及高（gāo）速控製能力, 更高（gāo）的運算速度和精度, 而且還需（xū）具備刀具中心點管理控製能力; 實時的刀長（zhǎng）和刀徑自動補償和機床幾何自動補償功（gōng）能; 支持（chí）傾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（kòng）係統主要有德國Siemens 公司的840D和Heidenhain公司的iTNC530。

4 結束語

     高速五軸加工作為一種先進加工技術, 在歐美等工業發達國家（jiā）的汽車、模具、航天航空等領域已經得到了相當普及的應用。隨著人們對（duì）產品質量要求的提高, 模具的（de）結構越來越複雜（zá）, 其交（jiāo）貨期越來越（yuè）短, 鑒於五軸加工技的諸多優勢（shì）, 以及五軸機床產品的（de）價格逐漸降低, 可以預見高（gāo）速五軸聯動加工（gōng）在我國模具製造領（lǐng）域的應用會越（yuè）來越（yuè）廣泛。