太強(qiáng)了，權(quán)威解讀：張曙教授談五軸加工機(jī)床現(xiàn)狀和趨勢(shì)

隨著航空航天、模具和汽車等工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)和形狀越來越復(fù)雜，精度要求越來越高，對(duì)五軸加工機(jī)床的需求日益增長(zhǎng)。五軸加工機(jī)床是指具有3個(gè)數(shù)控直線移動(dòng)軸和2個(gè)數(shù)控回轉(zhuǎn)軸的機(jī)床。五軸加工機(jī)床的配置多種多樣，配置各異。從運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的角度，假定傳動(dòng)鏈從工件開始到刀具，直線運(yùn)動(dòng)以L表示，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以R表示，具有3個(gè)移動(dòng)軸和2個(gè)回轉(zhuǎn)軸的五軸加工中心的運(yùn)動(dòng)組合共有7種：RRLLL、LRRLL、LLRRL、LLLRR、RLRLL、RLLRL和RLLLR。其中最常見的運(yùn)動(dòng)組合有3種：LLLRR、RRLLL和RLLLR。這3種運(yùn)動(dòng)組合及其典型結(jié)構(gòu)配置如圖1所示。

圖1 五軸加工機(jī)床的運(yùn)動(dòng)組合和配置形式

圖1a所示是動(dòng)梁式龍門加工中心，其運(yùn)動(dòng)組合為L(zhǎng)LLRR。工件安裝在固定工作臺(tái)上不動(dòng)，大理石礦物鑄件橫梁在左右兩側(cè)立柱頂部的滑座上移動(dòng)（Y軸），主軸滑座沿橫梁運(yùn)動(dòng)（X軸），主軸滑枕上下移動(dòng)（Z軸），雙擺銑頭作A軸和C軸偏轉(zhuǎn)。

圖1b是立式加工中心，其運(yùn)動(dòng)組合為RRLLL。工件固定在A軸和C軸雙擺工作臺(tái)上，橫梁沿左右兩側(cè)立柱移動(dòng)（X軸），主軸滑座沿Y軸移動(dòng)，主軸滑枕沿Z軸上下移動(dòng)。

圖1c也是立式加工中心，但其運(yùn)動(dòng)組合為RLLLR。工件固定在C軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，大理石礦物鑄件工作臺(tái)沿X軸移動(dòng)。主軸滑座沿Y軸和Z軸移動(dòng)，萬能銑頭可作B軸回轉(zhuǎn)。

每種運(yùn)動(dòng)組合可有不同的結(jié)構(gòu)配置方案。例如，動(dòng)梁龍門式機(jī)床和動(dòng)柱龍門式機(jī)床都屬于LLLRR運(yùn)動(dòng)組合，車銑復(fù)合加工和銑車復(fù)合加工大多屬于RLLLR運(yùn)動(dòng)組合，而RRLLL運(yùn)動(dòng)組合可包括A/C軸和B/C軸雙擺工作臺(tái)。

具有雙擺工作臺(tái)的4種不同工作臺(tái)布局的五軸加工中心如圖2所示。

圖2 不同雙擺工作臺(tái)布局的五軸加工機(jī)床

綜上所述，隨著應(yīng)用領(lǐng)域、加工零件的形狀、尺寸和精度要求不同，五軸加工機(jī)床具有多種多樣的結(jié)構(gòu)和配置方案。

典型案例分析

1. 哈默C52加工中心

德國(guó)哈默（Hermle）公司的C52加工中心是搖籃式雙擺工作臺(tái)五軸加工機(jī)床，大理石礦物鑄件適用于航空航天、模具制造、能源和半導(dǎo)體工業(yè)，其外觀和主要技術(shù)規(guī)格如圖3所示。

圖3 哈默C52加工中心

從圖中可見，搖籃式雙擺工作臺(tái)采用縱向布局，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)直徑為f1 000mm，由力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，最高轉(zhuǎn)速為500r/min。搖籃采用伺服電動(dòng)機(jī)和無背隙齒輪傳動(dòng)，擺動(dòng)范圍為＋100°/－130°，可以進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)的立/臥式車削加工或五軸聯(lián)動(dòng)銑削加工和5面銑削加工。車削時(shí)工作臺(tái)最大載荷為1 000kg，銑削時(shí)工作臺(tái)最大載荷為2 000kg，可以從機(jī)床上方裝卸較重的大型工件。

為了提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，哈默公司研發(fā)了獨(dú)特的總體結(jié)構(gòu)配置：移動(dòng)部件輕量化。框架式主軸十字滑座在高臺(tái)式床身的頂部，完成X－Y方向移動(dòng)，主軸滑枕作Z軸垂直方向移動(dòng)，采用盤式刀庫，如圖4所示。

圖4 哈默C52加工中心的總體結(jié)構(gòu)配置

1.線性導(dǎo)軌 2.刀庫 3.滾珠絲杠 4.伺服驅(qū)動(dòng) 5.雙擺工作臺(tái)

從圖中可見，主軸下層滑座由安裝在床身左右兩側(cè)壁上的伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠沿3根線性導(dǎo)軌移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)重心驅(qū)動(dòng)，避免移動(dòng)過程的偏斜，提高了機(jī)床的工作精度。

加工中心在車銑復(fù)合加工時(shí)采用海德漢640數(shù)控系統(tǒng)，包括提高動(dòng)態(tài)效率的主動(dòng)顫振控制、自適應(yīng)進(jìn)給控制和提高動(dòng)態(tài)加工精度的主動(dòng)振動(dòng)阻尼、載荷自適應(yīng)控制等智能模塊。

2. 西田YMC430-II精密加工中心

日本西田（Yasda）公司的YMC430-II精密加工中心主要用于加工微小的高精度零件，大理石礦物鑄件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上特別注意提高剛度和減少熱變形的影響，其總體結(jié)構(gòu)配置如圖5所示。