1 引言

     在傳統的模具生產中, 一般用三（sān）軸立（lì）式加工中心來加工, 而後需要（yào）大量（liàng）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程中可隨時調整, 避免了刀具幹（gàn）涉, 使得一（yī）次裝夾（jiá）就能完成複（fù）雜形（xíng）狀零件的全部或大部分加工, 與多次裝夾相比, 顯著地縮（suō）短加工周期,提高了加工精（jīng）度。而且在（zài）五軸加工中, 刀頭可靈活地進入複雜的模具（jù）型腔內部, 這有利於短刀具采用更高的切削速度來進行加工, 避免（miǎn）刀具的顫動, 提高加工精度[1]。

     目前, 切削加工正朝著高速化的方向發展, 結合高速（sù）切削的五軸加工技術, 采用高的切削速度和進給速度, 大（dà）大縮短了切削加工時間並獲得更好的加（jiā）工表麵質量。在高速銑削加工過程中, 切削力大大減少, 使（shǐ）得刀具耐用度有較大幅度提高[2]。從提高加工精度（dù）、縮短生產（chǎn）周期、降低人工成本等（děng）角度出發, 為（wéi）了提（tí）高競爭力, 模（mó）具加工企業采用高速（sù）五軸加工技術, 正成為新的（de）發展趨（qū）勢。

2 高速五軸機床的結構（gòu）特點（diǎn）

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

     2.1 雙旋轉工作（zuò）台的高速五軸機床

     雙旋（xuán）轉工作（zuò）台五軸加工機床的主軸（zhóu）不擺動, 兩個旋轉運動均由雙旋轉工作台（tái）實現。雙旋轉工（gōng）作台中能作360°的回轉運動的坐標為回轉坐標, 另（lìng）外一（yī）個作旋轉運動的坐標一般不能作360°的旋轉, 稱之為擺動坐標（biāo）, 故此（cǐ）工（gōng）作（zuò）台也稱（chēng）為旋轉/擺動工作台( 圖1) 。

     德（dé）國Hermle 公司生產的C40U 高速五軸加工中心 ( 圖2) 屬於這（zhè）種配置的機床, 采用工作台雙擺動結構, 通過定軸A 的擺動和動軸C 的轉動實現五軸聯（lián）動加工。工作台擺動角度大, 動（dòng）態性能好（hǎo）, 適用於複雜曲麵加工（gōng）( 含負角（jiǎo）度加工) 。機床的幾何精度及（jí）位置精度高的特點適合（hé）高精度零件加工, 尤其孔係位置精度( 平行度, 重複（fù）度) 要求（qiú）高的零件加工。

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

     部（bù）分代表（biǎo）型號的雙旋轉工作台高（gāo）速五軸加工中心主要規格和性能指標見表1。

     雙旋轉工作台五軸機床沒有傾斜擺動主軸（zhóu）頭, 這就減（jiǎn）少了控製係（xì）統的迅速複雜運（yùn）算量( number crunching) 。而且刀具的定位也不必考慮三角關係引（yǐn）起的變化, 刀具偏置量可以通（tōng）過調整X、Y、Z 三個軸得到, 使得刀具路徑的計算更加簡（jiǎn）單[9]。由（yóu）於雙旋轉工作（zuò）台的機構與剛（gāng）性等因素不容易實現大型化, 承載能力較低, 適合於中（zhōng）小型機床, 主要應用於中（zhōng）小（xiǎo）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

     這種型式機床的兩個旋轉（zhuǎn）坐標軸分別在工作台（tái）( 工件) 一側和主軸( 刀（dāo）具) 一側,即（jí）采用帶擺動功能的主軸頭和旋轉工作台來實現( 圖4) ,多為（wéi）中型機床所采用。這種機床的配置都是分（fèn）別在主軸頭與工作台各設計一組單軸旋轉軸, 在（zài）主軸頭上的旋（xuán）轉軸繞X( Y) 軸（zhóu）旋（xuán）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) 屬於（yú）這種配置（zhì）的機床（chuáng）。表2 為部分這種配置機床的規格（gé）參數對（duì）照。DMC 75V Linear 的直線軸采用直線電機驅動, 3 個直線軸的工作行程( X/Y/Z) 為885/600/600mm, 進（jìn）給速度達90m/min, 加速度（dù）高（gāo）達2g。主軸（zhóu）一側和工作台一側的旋轉軸均采用轉矩電機驅動。主軸頭繞X 軸作A 軸擺動,

     擺動角度為- 10°~+110°, 工作台繞Z 軸作C 軸轉動, 轉動角為360°連續回轉。直（zhí）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（gāo）的（de）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模具自由曲麵提供了良好的（de）條件。

     這種型式（shì）配置的機床把（bǎ）旋（xuán）轉軸分別放置於主軸（zhóu）與工（gōng）作台兩側, 與使用雙（shuāng）旋轉工（gōng）作台的機床相比較, 優點是剛性高, 工作（zuò）台的承載能力強。雙旋轉工（gōng）作台為一個（gè）串聯機構, 而且空間上受（shòu）到限製, 無法設計得足夠健壯, 導致整體剛（gāng）性（xìng）不（bú）足, 若將旋轉軸分開在主軸頭和工作台兩（liǎng）邊, 那麽結構剛性的問題便得到很（hěn）好的（de）解決, 工作台的工作台麵積與承載能力也遠大於傳（chuán）統的雙旋轉工作台。

     2.3 雙旋（xuán）轉主軸頭（tóu）的高（gāo）速五軸機床

     雙旋轉主軸頭五軸機床的兩個旋轉運動（dòng）均由主軸（zhóu）來實（shí）現( 圖6) 。根據工作台（tái）移動與否可分為（wéi）兩種（zhǒng）機型, 一種

是（shì）工作台移動作X、Y、Z 三個坐（zuò）標中的一個或多個（gè）直線運動（dòng）, 另一種是工作台固定, X、Y、Z 三個直線（xiàn）運動以及A( B) 、C 軸的轉動由主軸頭實（shí）現。後一種型式較為常見, 應用也比較廣泛, 代表性產品有意大利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, 采用HSK- A 63 高速刀柄。這種機床的特點是（shì）工（gōng）件 ( 工作台) 不動, 5 個（gè）坐標運動（dòng）都由具有（yǒu）轉動和擺動功能的主軸頭來（lái）完成, 主軸加工非常靈活, 工作台可以設計得非常大, 適合於加工具（jù）有複雜（zá）形麵的（de）汽車（chē）覆蓋件、汽車（chē）儀（yí）表盤等大型模具（jù）。這種機床還有一大優點（diǎn）: 在使用球頭銑刀加（jiā）工曲麵時（shí）, 當刀具中心線垂直於加工麵時, 由於球麵銑刀避開定點切削（xuē）, 保證有一定的線（xiàn）速度, 可（kě）提高表麵加（jiā）工質量。由於這一（yī）優（yōu）點, 這種結（jié）構非常適（shì）合於模（mó）具高精度曲麵的加工（gōng）, 比工作台回轉（zhuǎn）式加工中心更有優勢。表3 為雙旋轉主軸頭高速五軸加工中心部分代表（biǎo）型號的性能規格表。

3 高速五軸加工機（jī）床的關鍵技術

     高速主軸（zhóu）、驅動技術和控製技術（shù）是提（tí）高五軸加工中心高速性能、動態特性和加工精度的關鍵。

     ( 1) 電主軸

     在模具自由曲麵和複雜輪廓的加工中, 常常采用小直徑刀（dāo）具（jù）, 而要實現高的切削速度, 主軸必須具有很高的（de）轉速。目前高（gāo）速加工中心的電主軸轉速大多在18000～42000r/min。對於模具的微（wēi）細銑削（xuē）(銑刀直徑（jìng）一般采用0.1～2mm), 則（zé）需要（yào）更高的轉速。

     ( 2) 直線電機

     由於模具大多數是三維曲麵, 刀（dāo）具在加工曲（qǔ）麵時, 刀具軸要不斷進行製動（dòng）和加速（sù）, 隻有通過較高（gāo）的軸加速（sù）度才能在很高的（de）軌跡速（sù）度情況下, 在較短的軌跡路徑上（shàng）確（què）保以恒（héng）定的每齒進給量（liàng）跟蹤（zōng）給定的輪廓。如果曲麵輪廓的曲率（lǜ）半徑愈小, 進給（gěi）速度愈高, 那麽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（jù）的耐用度。目前, 模具加工用的高速加工中心大多還是采用伺服電機和滾珠絲杠來驅動直線坐標軸, 但部分加（jiā）工（gōng）中心已采用直（zhí）線電機, 如德國DMG 公（gōng）司（sī）的DMC75V Linear 高速五（wǔ）軸加工中心。采用直線電機驅動（dòng）免（miǎn）去了將回轉運動轉換為直線運動的傳動元件, 從而顯（xiǎn）著提高軸的（de）動態性能、移動速度和加工精度。

     ( 3) 轉矩電機

     在（zài）高速五軸加工中（zhōng）心上, 回轉工作台和主軸頭（tóu）的擺動（dòng）和回轉運動, 已廣泛采用轉矩電機來實現。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（diàn）機是一（yī）種同步電（diàn）機, 其轉子直（zhí）接固定在所要驅動的部件上, 所以沒有機械（xiè）傳動元件, 它像（xiàng）直線電機一樣（yàng）是直（zhí）接驅動裝置。轉矩電機（jī）有著大扭矩輸出、高伺服（fú）響應、無接觸傳動(無磨耗)、無傳動背隙等特點, 所能達（dá）到的角加速度要（yào）比傳（chuán）統的蝸（wō）輪蝸杆（gǎn）傳動高6 倍, 在擺動主軸頭（tóu）上加速度可達到3g。使（shǐ）用轉矩電機替（tì）代蝸輪/蝸杆和齒（chǐ）輪傳（chuán）動結構可（kě）以將機構簡化, 並（bìng）提高機構的（de）靜態和動態負載剛性, 這大幅度提高了旋轉工（gōng）作台和主軸頭的動（dòng）態性能, 進而提高回轉軸和擺動軸的定位精度和重複定位精度。

     ( 4) 控製係統

     五軸機床的運動（dòng）是5 個坐標軸運動的合成, 旋轉坐（zuò）標的加入使得運動學比（bǐ）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（de）微小誤差就會大幅度降低加工精度。因此, 要實現高速五軸加工, 數控係統必須具有良好（hǎo）的伺服性能（néng）及（jí）高速控製能力, 更高的運算速度和精度, 而且還需具（jù）備刀具中心點管理控製能力; 實時的刀長和刀徑自動補償和機床幾何自（zì）動補償功能; 支持傾斜（xié）工作麵和（hé）圓柱麵加工[6]。目前（qián）應用（yòng）在高速五軸加（jiā）工中心常見的數控係統主要有（yǒu）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（wéi）一種先進（jìn）加工技術, 在歐美（měi）等工（gōng）業發達國家的汽車、模具、航天航空等領域已經得到了相當普及的應用。隨著（zhe）人（rén）們對產品質量要（yào）求的提高, 模具的（de）結構越來越複雜, 其交貨期越來（lái）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（kě）以預見高速五軸聯（lián）動加工在我國模具製造領（lǐng）域的應用會越來越廣（guǎng）泛。