1 引言（yán）

     在傳統（tǒng）的模具生產中, 一般用三軸立式加工中心（xīn）來加工, 而後需要大量的人工進行鉗工修整工作。而采用五軸加工時, 刀（dāo）具- 工件的位（wèi）姿角在加工過程中可隨時調（diào）整, 避免了刀具幹涉, 使得（dé）一次裝夾就（jiù）能完成（chéng）複雜形狀零件（jiàn）的全部或大部分加工, 與多次裝夾相（xiàng）比, 顯著地縮短加（jiā）工周期,提高了加工（gōng）精度。而且在五軸加工中, 刀頭可靈活地進入複雜的模具型腔內部（bù）, 這有利（lì）於短刀具采用更高的切削速度來進行加工, 避免刀具的顫動, 提高加工精（jīng）度[1]。

     目前, 切削加工正朝著高速化的方向發展, 結合高速切削（xuē）的五軸加工技（jì）術, 采用高的切（qiē）削速度和（hé）進給速度, 大大縮短了（le）切削加工（gōng）時間並獲得更好的加（jiā）工表麵質量。在高速銑削加工過（guò）程中, 切削力大大減少, 使得刀具耐用（yòng）度有較大（dà）幅度提高[2]。從提高加工（gōng）精度、縮（suō）短生產周期（qī）、降低（dī）人工成本等角度出發, 為了（le）提（tí）高競爭力, 模具（jù）加工企（qǐ）業采用高速五軸加工技術, 正成為新的發展趨勢。

2 高速五軸機床的結（jié）構特點

     市場上（shàng）常見的五軸加工機（jī）床, 按以（yǐ）旋轉軸構成的型式來分可（kě）分為三類: 一是兩個旋轉軸都（dōu）在工作台一側, 即兩軸旋轉工作（zuò）台; 二是一個旋轉軸在刀具一側, 另一個旋轉軸在工件（jiàn）一側, 即旋轉主軸頭加（jiā）上（shàng）旋轉工作台; 三是兩個旋轉軸都在刀具一（yī）側, 即兩軸旋（xuán）轉主軸頭。

     2.1 雙旋轉工作台的（de）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（yùn）動均由雙旋轉工作台實現。雙旋轉工作台中能作360°的回轉運動的坐標為回轉坐標（biāo）, 另外一個作旋轉運動的坐標一（yī）般不能作360°的（de）旋轉, 稱之為擺動坐標, 故此（cǐ）工作台也稱為旋轉（zhuǎn）/擺動工作台( 圖1) 。

     德國（guó）Hermle 公司生（shēng）產的C40U 高速五軸加工中心 ( 圖2) 屬於（yú）這種配置的（de）機床, 采用工作台雙擺（bǎi）動結（jié）構, 通過定軸A 的擺動和動軸C 的轉（zhuǎn）動（dòng）實（shí）現五軸聯（lián）動加工。工作台擺動角度大（dà）, 動態（tài）性（xìng）能好, 適用於複（fù）雜曲麵加（jiā）工( 含負角度加工) 。機床的幾何精度及位置精度高的特點適合（hé）高精度零（líng）件加工, 尤其（qí）孔係位置精度( 平行度（dù）, 重複度) 要求高的（de）零件加工。

  ‘

     Mikron 公司生產（chǎn）的HSM400U( 圖3) 的配置有30000~60000r/min 的（de）高速主軸( 用（yòng）HSK E 40 高速刀柄) , 3 個直線軸采用（yòng）水冷的大（dà）功率伺服電機驅動, 以保證高的動態性能, 工作台的轉（zhuǎn）動軸( B 軸和C 軸) 用（yòng）轉矩電機驅動, 使得旋轉軸的速（sù）度也能與高速主（zhǔ）軸（zhóu）和直（zhí）線軸相匹配, 實現高速五軸加工。

     部分代表型號的雙旋（xuán）轉工作台高速五軸加工中心（xīn）主要規格和性能（néng）指標見表1。

     雙（shuāng）旋轉工作台五軸機床沒有傾斜擺動主軸頭, 這（zhè）就減少了控製係統的迅速複雜運（yùn）算量( number crunching) 。而且刀具的定位也（yě）不（bú）必考慮三（sān）角關係引起的變化, 刀具（jù）偏置量（liàng）可以通過調整X、Y、Z 三個軸得到（dào）, 使得（dé）刀具路徑的計算更（gèng）加簡單[9]。由於雙旋轉工作台的（de）機構與剛性等因素不（bú）容易實現大型化, 承載能力較低, 適合於中小型機床, 主要（yào）應（yīng）用於中小型模具（jù）的加工（gōng）。

     2.2 擺動主軸頭加旋（xuán）轉工作台的高速五軸機床

     這種型式（shì）機床的兩個旋轉坐標軸分別在工作台( 工件) 一側和主軸( 刀具) 一側,即采用帶（dài）擺動功（gōng）能的主軸（zhóu）頭和旋轉工作台來（lái）實現( 圖4) ,多（duō）為中型機床所采用。這（zhè）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（zhóu）旋轉軸（zhóu）, 在主軸頭（tóu）上的旋轉軸繞X( Y) 軸旋轉的A( B) 軸, 在工（gōng）作（zuò）台上的旋轉軸為（wéi）繞Z軸旋轉的C 軸。DMG 的DMC 75V Linear( 圖5) 屬於這種配置的機床（chuáng）。表2 為部分這種配置機床的（de）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（zhǔ）軸一側和工作台一側的旋轉軸均（jun1）采用轉矩電機驅動。主軸頭繞X 軸作A 軸擺動,

     擺動角度（dù）為（wéi）- 10°~+110°, 工作台（tái）繞Z 軸作C 軸轉動, 轉動角（jiǎo）為360°連續回轉。直（zhí）接驅動的直線（xiàn）軸（zhóu）與直接驅動的回轉軸相組合（hé）, 使機床（chuáng）所有的（de）運動軸具有較高的動（dòng）態性能和調節特性, 從而（ér）為高速度、高精度和（hé）高表麵質（zhì）量加工模具自（zì）由曲麵提供了（le）良（liáng）好的條件。

     這種型式配（pèi）置的機床（chuáng）把旋轉軸分（fèn）別放置於主軸與工作台兩側, 與使用雙旋轉工作（zuò）台的機床相比較, 優（yōu）點是剛性高, 工作台的承載能力強。雙旋轉工作台為一個串聯機構（gòu）, 而且空間上受到限（xiàn）製, 無法設計得足夠健壯, 導致整體（tǐ）剛性不足, 若（ruò）將旋轉軸分開在主軸（zhóu）頭和工（gōng）作台兩邊, 那麽結構剛性的問題便得（dé）到很好的解決, 工作台（tái）的工作（zuò）台麵積與承載（zǎi）能力也遠（yuǎn）大於傳統的雙旋轉工作台。

     2.3 雙旋轉主軸頭的高（gāo）速五軸機床

     雙旋轉主軸頭五軸機床（chuáng）的兩個（gè）旋轉運動均由主軸來實現( 圖6) 。根據工作（zuò）台移動與否可分（fèn）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（huò）多個（gè）直線運動, 另（lìng）一種是工（gōng）作台固定, X、Y、Z 三個直線運動以（yǐ）及A( B) 、C 軸的轉（zhuǎn）動（dòng）由主軸頭實現。後一種型式較為常見, 應用也比較廣（guǎng）泛, 代表（biǎo）性產品有意大利FIDIA 公司的K211 高速五軸加工中心( 圖7) 。該加工中心配置自行生產（chǎn）的（de）雙旋轉主軸頭M5A/55, 配置了高速主軸係統（tǒng）, 采用HSK- A 63 高（gāo）速刀（dāo）柄。這種機床的特點是工件 ( 工作台) 不動, 5 個坐標運動（dòng）都由具有轉動和擺動功能的主軸頭來完成, 主軸加（jiā）工非（fēi）常靈（líng）活, 工作台可（kě）以設計（jì）得非常大, 適合於加工（gōng）具有複雜形麵的汽車覆蓋件、汽車儀表盤等大型模（mó）具。這種機床還有一大優點: 在使用球頭銑刀加工曲麵時, 當刀具中心線（xiàn）垂直於加工麵時, 由於球麵銑刀避開定點（diǎn）切削, 保證（zhèng）有一定的（de）線速度, 可提高表麵加工質量。由於這一優點, 這種結構非常適合於模具高精度曲麵的（de）加工, 比工作台回（huí）轉式加工中心（xīn）更有優勢。表3 為雙旋轉主軸頭高速五軸加（jiā）工中心部分（fèn）代表型號的性（xìng）能規格表。

3 高速五軸加工機床的關鍵技術

     高速主軸（zhóu）、驅動技術（shù）和控製技（jì）術是提高五軸加工（gōng）中心高速性能、動態（tài）特性和（hé）加工精度的關鍵。

     ( 1) 電主軸（zhóu）

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

     ( 2) 直線電機

     由於模具大（dà）多數是三維曲麵, 刀具在加工曲麵時, 刀具軸要（yào）不斷進行製動和加速, 隻有通過較高（gāo）的軸加速度才能在很高的軌跡速度情（qíng）況下, 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（miàn）輪廓的曲率半徑愈小, 進給速度愈高, 那麽要求的軸加速（sù）度愈高（gāo）。因此, 機床的軸加速度在很大程度上影響到模（mó）具的加工精度和刀具的耐用度。目前, 模具加工用的高速加（jiā）工中心大多還（hái）是采用伺服電機和滾珠絲杠來驅動（dòng）直線坐（zuò）標（biāo）軸, 但部分加工中心已采用直線電機, 如德國DMG 公司的DMC75V Linear 高速五軸加工中（zhōng）心。采用直線電機驅動免去了將回轉運動轉換為直線運動的傳動元件, 從而顯著提高（gāo）軸的動態性能、移動速度和加工精度。

     ( 3) 轉矩電機

     在高速（sù）五軸（zhóu）加工中心上, 回轉（zhuǎn）工（gōng）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。采用轉矩（jǔ）電機直接（jiē）驅（qū）動的回轉工作台如（rú）圖8所示。轉矩電機是一種同步電機, 其轉子直接固（gù）定在所要驅動（dòng）的部件上, 所以沒（méi）有機械傳動元件, 它像直線電（diàn）機一樣是直接驅動裝置。轉矩電機有著大扭矩輸出（chū）、高伺服響應、無接觸傳動(無磨耗)、無傳動背（bèi）隙等特點, 所能達到的角（jiǎo）加速度要比傳（chuán）統（tǒng）的蝸輪蝸杆傳動高6 倍, 在擺動（dòng）主軸頭上加速度可達到3g。使用轉矩電（diàn）機替代蝸輪/蝸杆和齒輪傳動結構可以將機構簡化, 並提高機構的靜態和（hé）動態負載剛性, 這大幅度提高了旋轉工作台和主軸頭的動（dòng）態性能, 進而提（tí）高回轉軸和（hé）擺動軸的（de）定（dìng）位精度和重複（fù）定位精度。

     ( 4) 控製（zhì）係統（tǒng）

     五軸機床的運動是5 個坐標軸運動的合成, 旋轉坐標的加入使（shǐ）得運動學比三軸機床要複雜得多, 插補運算量非常大, 而且旋轉坐標的（de）微小誤差就會大幅度降低加（jiā）工精度（dù）。因此, 要（yào）實現高速（sù）五（wǔ）軸加工, 數控係統必須具（jù）有（yǒu）良好的伺服性能及（jí）高（gāo）速控製能力, 更高的（de）運算速度和精度, 而且（qiě）還（hái）需具備刀具中（zhōng）心（xīn）點管（guǎn）理（lǐ）控製能（néng）力; 實時的刀長和刀徑自動補償和機床幾何自動補償功能; 支持傾斜工作麵和圓柱麵加工[6]。目（mù）前應用在高速五軸加工中心（xīn）常見的數控係統主要有德國Siemens 公司的（de）840D和Heidenhain公司的iTNC530。

4 結束（shù）語

     高速五軸加工作為（wéi）一種（zhǒng）先進加工技（jì）術（shù）, 在（zài）歐美等（děng）工業發達國家的汽車、模具、航天（tiān）航空等領域已經得到了相（xiàng）當普及的應用。隨著（zhe）人們對產品質量要求的提高, 模具的結構越來越複雜, 其交貨期越來越短, 鑒於五軸加工技的諸多優勢, 以（yǐ）及五軸機床產品的價格逐漸降低, 可以預見高速五（wǔ）軸聯動加工在我國模具製造領域的應用會越來越廣（guǎng）泛。