發布日期：2022-10-09 點擊率：210
近年來，我國的工業經濟總體增長較快，國際制造產業向中國快速轉移跡象明顯，但尚未擺脫產品檔次低、國際競爭力弱的局面。中國制造產品，除人工成本低外，其他如質量、款式、技術含量等方面均不具備競爭優勢。當前，在國內經濟發展中存在如此現象，即高檔的產品非進口即由進口的機械設備生產。而那些高精度機械設備除進口外，還有可能通過再上游的進口裝備機械生產。即每個生產環節，進口的總比國產的要高一個檔次。以手機為例，雖然部分國產手機質量超過進口產品，但機殼大多由進口模具生產。而最高精度的模具又須借助高端進口數控加工中心生產。整個制造業長期依賴進口設備，導致惡性循環，可能帶來三個結果：一是始終不能獲得國際上最新最好的技術設備。導致中國的制造業永遠停留在二流水平。二是最終產品的大部分價值被發達國家所獲取。三是不能掌握整個經濟發展的核心技術，國民經濟的命脈始終掌握在他人手里。
因此，筆者認為，中國要在制造業方面趕上或超過發達國家，在大力發展本國數控、模具產業基礎上，要積極推廣應用高檔數控裝備，包括適當進口國外先進的數控加工中心。因為高檔數控機床、模具處于制造產業鏈的最前端。而模具產品質量的高低，很大程度上也是受制于數控加工設備。五軸聯動是高檔數控的代表。長期以來，以美國為首的西方工業發達國家，一直把將五軸聯動數控機床系統作為重要的戰略物資，實行出口許可證制度。發展中國家不但在生產研發上有難度，而且在引進方面也有很大的阻力。
五軸聯動數控機床之所以重要，在于它能夠加工具有復雜曲面的機械配件，特別在解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、大型柴油機曲軸等方面具有獨特的優勢。因此，高精度的數控機床對于一個國家的軍事、航空航天、精密醫療設備、科學研究、精密儀器等行業有著舉足輕重的影響力，堪稱“制造業之靈魂”。
現代化的數控機床首先是由美國、日本、德國等發達國家開發研制的。因此，從目前情況看，進口的技術含量相對要比國產的好一些，但是國內部分企業研發的產品質量也在逐步趕上來。要在適當引進外國先進技術和設備的基礎上，注意消化吸收，穩步地發展本國的高端數控產業。一味地依賴進口，必將使中國的制造業乃止整個國民經濟受制于人。但是人類歷史任何一種科學技術的進步，都是站在巨人的肩膀上發展的，摒棄別國現有的尖端科學技術不用，無疑也是一種閉門造車和夜郎自大的思想。
由于中國產業的層次比較多，加上以五軸聯動為代表的高檔數控機械價格昂貴，在具體的行業和企業引進應用上還應實事求是。有些加工精度要求較低的產品，用一般加工設備更加經濟。如寧波的釹鐵硼出口產業就是以寧波本地的中低檔數控機床為依托，采用低成本策略帶動的。在模具行業，比如產生精密模、鑄造模企業用不用高檔數控機床，對于提高模具產品的質量至關重要。在其它精密儀器、航空航天、醫療設備等行業，應該鼓勵引進尖端的技術裝備。一些在發展中的企業，可采用技術聯合的辦法，購買一些價值高的技術設備。如寧波北侖有一家三創公司，這是一家具有國際一流加工設備的模具技術服務公司，由吉業、車燈、輝旺、鑫達等5家企業共同出資組建。成立的總旨就是專門為北侖的中小模具企業服務，減少進口設備的重復投資，為整個模具行業解決高科技難題。如一臺具有國際先進技術的五軸聯動加工中心，價格1000萬元左右，一般中小企業不但投資不起，且設備利用率不高。通過共同投資形式，不僅解決出資企業的加工難題，而且可以為更多的中小企業服務。這家企業一期共投資8000余萬元，用于購置國外高檔加工設備。同時用年薪100多萬元聘請國外專家進行技術指導。當地政府也給予了一定的補貼。
總之，在高端制造行業推廣和應用以五軸聯動為代表的數控機械裝備，對于提高中國制造產業的層次，促進企業技術進步、產品升級換代具有十分重要的意義。不僅要鼓勵有經濟實力和戰略眼光的企業積極改造自身的技術裝備，各級政府還應正確引導，并給予企業一定的政策扶持。
五軸高速加工中心的發展動向
近十多年來，由于刀具、驅動、控制和機床等技術的不斷進步，高速加工和高效加工，特別是高速硬銑已在模具制造業中得到了廣泛應用和推廣，傳統的電火花加工在很多場合已被高速硬銑所替代。通過高速硬銑對一次裝夾下的模具坯件進行綜合加工，不僅大大提高了模具的加工精度和表面質量，大幅度減少了加工時間，而且簡化了生產工藝流程，從而顯著縮短了模具的制造周期，降低了模具生產成本。
高速加工中心不斷提高的工作性能是模具制造業得以高效和高精度加工模具的重要前提。近年來，在驅動技術的推動下，涌現出結構創新、性能優良的眾多不同類型的高速加工中心。90年代中后期出現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)現已發展到五軸高速加工中心。在驅動方式上，已從直線運動(X/Y/Z軸)的伺服電機和滾珠絲杠驅動發展到目前的直線電機驅動，回轉運動(A和C軸)采用了直接驅動的轉矩電機，有的公司并通過直線電機和轉矩電機使加工中心發展成全采用直接驅動的五軸加工中心。顯著提高了加工中心的行程速度、動態性能和定位精度。
高速加工中心的結構特點及優點
用于模具加工的高速加工中心，一個普遍的結構特點是采用龍門式框架結構，以此增強機床剛性，且便于充分利用加工區的空間。機床床身的材料則多數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率，故有利于提高模具的加工精度。
目前，根據坐標軸的配置，五軸加工中心基本上可分為兩種結構型式。一種是，三個直線軸(X/Y/Z)用于刀具運動和兩個附加旋轉軸(A和C)用于工件的回轉和擺動的結構型式。這種類型的高速加工中心,如德國R?der公司的RXP500DS/RXP800DS，德國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Hermle的C30U/C40U/C50U等。另一種是，五個坐標軸中的一個擺動軸(A)設置在主軸頭上的結構型式，通過叉形主軸頭實現主軸刀具的擺動，而擺動主軸頭也可通過牢固夾緊，使其定位在擺動角度范圍內的任意位置上。這種類型的機床如德國德馬吉公司的DMC75V linear/DMC105V linear，Mikro的HPM1850U和德國Rolf Wisser的高速銑床GAMMA605/1200等。有個別機床有把擺動軸和回轉軸均設置在主軸頭上，如德國Parat公司的G996V/BSH/5A高速銑削中心和德國Edel公司的五軸或六軸龍門銑床。
五軸高速加工中心在價格上要比三軸加工中心高很多，據德馬吉DMC75V系列的五軸加工中心與三軸加工中心進行價格比較，五軸要比三軸的價格約高50%。五軸高速加工中心價格雖高，但這種高檔機床特別適合用來加工幾何形狀復雜的模具。五軸加工中心在加工較深、較陡的型腔時，可以通過工件或主軸頭的附加回轉及擺動為立銑刀的加工創造最佳的工藝條件，并避免刀具及刀桿與型腔壁發生碰撞，減小刀具加工時的抖動和刀具破損的危險，從而有利于提高模具的表面質量、加工效率和刀具的耐用度。用戶在采購加工中心時，是選用三軸加工中心還是五軸加工中心，應根據模具型腔幾何形狀的復雜程度和精度等要求來決定。
從高速加工中心不斷創新的過程中可以看出，充分利用當今技術領域里的最新成就，特別是利用驅動技術和控制技術的最新成果，是不斷提高加工中心高速性能、動態特性和加工精度的關鍵。
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，要求很高的切削速度，因此，電主軸必須具有很高的轉速。目前，加工中心的主軸轉速大多在18000～42000r/min，瑞士Mikro的高速加工中心XSM400U/XSM600U其主軸轉速已達54000 r/min。而對于模具的微細銑削(銑刀直徑一般采用0.1～2mm)，則需要更高的轉速。如德國Kugler公司的五軸高精度銑床，其最高主軸轉速達160000 r/min(采用空氣軸承)，這樣的高轉速，當采用0.3mm直徑的銑刀加工鋼模時，就可達到150m/min的切削速度。目前，德國Fraunhofer生產技術研究所正在開發轉速為300000 r/min的空氣軸承支撐的主軸。
加工模具時，總是采用很高的轉速，而高轉速產生的發熱，以及切削時可能產生的振動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定性，在主軸上裝有用來測量溫度、位移和振動的傳感器，以便對電機、軸承和主軸的溫升、軸向位移和振動進行監控。由此為高速加工中心的數控系統提供修正數據，以修改主軸轉速和進給速度，對加工參數進行優化。當主軸產生軸向位移，則可通過零點修正或軌跡修正來進行補償。
直線電機
目前，模具加工用的高速加工中心或銑床上多數還是采用伺服電機和滾珠絲杠來驅動直線坐標軸，但部分加工中心已采用直線電機，例如德國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2g和快速行程速度達90m/min)。由于這種直線驅動免去了將回轉運動轉換為直線運動的傳動元件，從而可顯著提高軸的動態性能、移動速度和加工精度。
采用直線電機驅動的機床可顯著提高生產率。例如在加工電火花加工用的電極時，加工時間要比采用傳統高速銑床減少50%。
直線電機可以顯著提高高速機床的動態性能。由于模具大多數是三維曲面，刀具在加工曲面時，刀具軸要不斷進行制動和加速。只有通過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給量跟蹤給定的輪廓。如果曲面輪廓的曲率半徑愈小，進給速度愈高，那么要求的軸加速度愈高。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刀具的耐用度。
轉矩電機
在高速加工中心上，回轉工作臺的擺動以及叉形主軸頭的擺動和回轉等運動，已廣泛采用轉矩電機來實現。轉矩電機是一種同步電機，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，它像直線電機一樣是直接驅動裝置。轉矩電機所能達到的角加速度要比傳統的蝸輪蝸桿傳動高6倍，在擺動叉形主軸頭時加速度可達到3g。由于轉矩電機可達到極高的靜態和動態負載剛性，從而提高了回轉軸和擺動軸的定位精度和重復精度。
目前，已有部分廠家的高速加工中心，已采用直線電機和轉矩電機來分別驅動直線軸(X/Y/Z)和回轉擺動軸(C和A)。如R歞er的RXP500DS/RXP800DS,德馬吉的DMC75V linear和Edel的CyPort五軸龍門銑床。
應該提及的是，直接驅動的直線軸與直接驅動的回轉軸相組合，使機床所有的運動軸具有較高的動態性能和調節特性，從而為高速度、高精度和高表面質量加工模具自由曲面提供了最佳條件。
控制系統
CNC控制系統是高速加工中心的重要組成部分，它在很大程度上決定著機床加工的速度、精度和表面質量。因此，對于加工模具自由曲面的高速機床，數控系統的性能具有特別重要的意義。
加工高精度自由曲面時，由微段直線和圓弧構成的刀具軌跡造成龐大的零件程序，這些數據流需要由機床控制系統來儲存和處理，因此，程序段處理時間的長短是決定CNC控制系統工作效率的重要指標。目前，高檔CNC控制系統的程序段處理時間一般可達0.5ms(如海德漢的iTNC530數控系統)，而個別數控系統的程序段處理時間已縮短到0.2～0.4ms。
應用于模具高速加工的現代CNC數控系統，除了具有為確保高速進給速度所必要的很短程序處理時間外，還應具有Nurbs和樣條插補功能，并能以納米的分辨率進行工作，以便在高速加工的情況下獲得高的加工精度和表面質量。
目前，高檔的數控系統也都能與不同廠家的CAD/CAM系統進行連接，數據從CAD/CAM系統經以太網以很高的速度傳送到控制系統上。CAD/CAM集成到控制系統上，在很大程度上能使模具復雜輪廓的加工獲得良好的效果，并對縮短調整時間和編程時間做出十分重要的貢獻。
在上述所引述的五軸高速機床上，除R歞er公司是采用自己開發的數控系統外，其它主要是采用了西門子的840D和海德漢公司的iTNC530數控系統。
結束語
近十年來，驅動技術和控制系統的長足進步，推動了加工中心結構的不斷創新和性能的不斷提高。電主軸、直線電機、轉矩電機和快速數控系統的應用對提高加工中心的高速、高動態和高加工精度起了決定性的作用。而在模具加工機床的多種結構創新中，轉矩電機起到了特別重要的作用。它不僅應用于回轉工作臺的回轉和擺動驅動，而且還應用于叉形主軸頭的擺動或主軸頭的擺動和回轉驅動，由此構成各種不同類型的五軸加工中心。而回轉和擺動主軸頭的應用，又為發展加工大型模具的五軸龍門式高速精密銑床提供了技術支持。
今后，進一步提高主軸轉速、動態性能和行程速度仍是高速加工中心的發展重點，這不僅仍要依賴于驅動技術和數控技術的進一步發展，還要有賴于機床構件輕量化的發展和并聯機床的開發。可以預料，在今后5年中，高速加工中心或高速銑床的軸加速度有望達到3～4g,坐標軸的快速行程速度達到100～140m/min。
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