數(shù)控機床作為裝備制造業(yè)的“工業(yè)母機”,是促進國家工業(yè)強力發(fā)展及加快建設(shè)制造強國的重要戰(zhàn)略性裝備,代表機床制造業(yè)最高水平的五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng),更是衡量一個國家復(fù)雜精密零件制造能力技術(shù)水平和國家生產(chǎn)設(shè)備自動化技術(shù)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。隨著工業(yè)的發(fā)展,五軸聯(lián)動數(shù)控機床被認(rèn)為是航空航天、船舶、軍事、機密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域加工制造關(guān)鍵部件最重要的高精密加工設(shè)備。作為難度大、應(yīng)用廣,集計算機控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工技術(shù)于一體的數(shù)控機床技術(shù),五軸聯(lián)動數(shù)控機床與傳統(tǒng)三軸數(shù)控機床相比,有著無可替代的優(yōu)點:
1)五軸聯(lián)動數(shù)控機床可以加工三軸數(shù)控機床無法加工的復(fù)雜形狀工件,加工過程可有效避免刀具干涉。例如,加工航空航天應(yīng)用領(lǐng)域的葉輪、葉片和整體葉盤等零件時,五軸機床可以使用更短的刀具進行加工,提升系統(tǒng)剛性,減少刀具的數(shù)量,避免了專用刀具的產(chǎn)生。
2)相比于三軸數(shù)控機床,五軸聯(lián)動數(shù)控機床可以減少裝夾次數(shù)、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換并減少夾具的使用數(shù)量,顯著提高加工效率和加工精度。
3)五軸聯(lián)動數(shù)控機床具有高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力,能夠很好地解決航空航天、汽車等領(lǐng)域新產(chǎn)品研發(fā)過程中復(fù)雜零件加工的精度和周期問題,從而大大縮短研發(fā)周期,提高新產(chǎn)品的成功率。目前,五軸聯(lián)動數(shù)控機床已成為各國高檔數(shù)控機床工業(yè)發(fā)展的熱點和重點。
一、五軸聯(lián)動數(shù)控機床的基本結(jié)構(gòu)
目前的五軸聯(lián)動數(shù)控機床大多是“3+2”結(jié)構(gòu),即 X、Y、Z三個直線運動軸加上分別繞 X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)的 A、B、C 三個旋轉(zhuǎn)軸中的兩個組成。因此,從大方向分類,五軸聯(lián)動數(shù)控機床有X、Y、Z、A、B;X、Y、Z、A、C;X、Y、Z、B、C 三種形式。根據(jù)兩個不同旋轉(zhuǎn)軸的組合形式進行劃分,五軸聯(lián)動數(shù)控機床主要有雙轉(zhuǎn)臺式、轉(zhuǎn)臺加擺頭式和雙擺頭式三種形式。
雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動數(shù)控機床
該五軸聯(lián)動機床的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)為 A 軸 +C 軸的雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)。設(shè)置在床身上的工作臺可以圍繞 X 軸回轉(zhuǎn),定義為 A 軸,A 軸的工作范圍一般為 30°~120°。設(shè)置在工作臺中間的回轉(zhuǎn)臺可以繞Z 軸旋轉(zhuǎn),定義為 C 軸,C 軸可進行 360° 回轉(zhuǎn)。因此,通過 A 軸與 C 軸的組合,固定在工作臺上的工件除了底面之外,其余的五個面都可以用立式主軸進行加工。
轉(zhuǎn)臺加擺頭結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動數(shù)控機床
A 軸、B 軸或 C 軸都可以成為該機床的轉(zhuǎn)臺和擺頭,因此,轉(zhuǎn)臺加擺頭結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動機床可以實現(xiàn)不同的組合,以適應(yīng)不同的加工對象。這種設(shè)置方式的優(yōu)點是機床主軸可以實現(xiàn)靈活加工,并且通過將機床的工作臺變大,可以實現(xiàn)大型復(fù)雜工件的加工。
雙擺頭結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動數(shù)控機床
該結(jié)構(gòu)的擺頭帶有松拉刀結(jié)構(gòu)的電主軸,因此雙擺頭自身的尺寸不宜過小,一般在400 mm~500 mm,加上雙擺頭活動范圍的需要,雙擺頭結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動機床的加工范圍較大,一般為龍門式或動梁龍門式,龍門的寬度一般在2 000 mm~3 000 mm之間。目前較先進的雙擺頭式五軸聯(lián)動機床的擺頭結(jié)構(gòu)一般采用“零傳動”技術(shù)的扭矩電動機,“零傳動”技術(shù)在旋轉(zhuǎn)軸中的應(yīng)用是解決其傳動鏈剛性和精度問題的主要技術(shù)路線。
二、五軸聯(lián)動數(shù)控機床的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
五軸聯(lián)動數(shù)控機床國外研究現(xiàn)狀
當(dāng)前,五軸聯(lián)動數(shù)控機床的國外研究主要以歐美發(fā)達國家、日本為代表,這些國家代表了當(dāng)今五軸聯(lián)動數(shù)控機床發(fā)展的最高水平。隨著技術(shù)進步和社會對高檔數(shù)控機床要求的不斷提高,國外著名五軸數(shù)控機床大型制造公司的數(shù)控技術(shù)正在向高速度、高精度、智能化、復(fù)合化、高可靠性和綠色化的方向發(fā)展。
德國西口技術(shù)(SycoTec)將 4015 DC-R-HSK63 高速精密電主軸應(yīng)用到五軸數(shù)控機床加工中心,使得機床的加工范圍從原來的 0~24 000 r/min 擴展到 0~100 000 r/min 的五軸超高轉(zhuǎn)速精密加工,并且機床采用標(biāo)準(zhǔn)的 HSK-63 刀柄,實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)快速、無摩擦更換刀具,縮短了機床停止時間,提高了生產(chǎn)產(chǎn)量和效率,拓寬了機床的加工范圍。茲默曼(Zimmermann)公司設(shè)計的五軸聯(lián)動式數(shù)控機床配備 M3 ABC 配弧形導(dǎo)軌的高端三軸銑頭,B 坐標(biāo)多出一個,即內(nèi)含 A、B、C 三個不同回轉(zhuǎn)的坐標(biāo)頭,該五軸聯(lián)動式數(shù)控機床具有剛性優(yōu)良的特點,且結(jié)構(gòu)相對緊湊,因內(nèi)設(shè) A、B、C 三個不同的坐標(biāo)頭,增加了偏轉(zhuǎn)范圍,致使 C 軸的轉(zhuǎn)動過程不受限制,提高了五軸聯(lián)動數(shù)控機床加工作業(yè)期間的精度。
法國索瑪(SOMAB)公司制造的DIAM五軸加工中心復(fù)合化功能強大,一次裝夾,可實現(xiàn)車、銑、鏜、鉆、車銑、齒輪加工、曲軸加工、在線檢測等復(fù)合化工作,大大提升機床加工效率和加工精度。
美國赫克(Hurco)公司制造的偏擺主軸式 i 系列五軸加工中心,采用整體式電主軸,并配置高精度陶瓷軸承,加工工作臺可無角度限制地連續(xù)旋轉(zhuǎn),減少節(jié)拍時間,可以最大限度地進行刀具進給,在復(fù)雜零件輪廓加工方面具有超強的性能。哈斯(Haas)制造的VF-6TR多功能五軸數(shù)控加工中心能夠提供完全同步的五軸運動,并可將工件定位到幾乎任何角度進行加工,提高了加工的靈活性。
日本安田工業(yè)株式會社(YASDA)出廠的 YASDA YBM Vi40超精密五軸數(shù)控機床采用一體化橋式結(jié)構(gòu)的剛性機身,在模具制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了高精度加工及高表面品質(zhì)。山崎馬扎克株式會社(Mazak)研制的多功能五軸聯(lián)動加工中心 VARIAXIS i 系列,一次裝夾就能完成大型、重型零部件的復(fù)雜彎曲表面加工,該系列設(shè)備應(yīng)用了 Done-in-One 理念,能在一臺設(shè)備上完成從原料到終產(chǎn)品的所有加工。大大縮短加工時間,提升了加工精度。
韓國現(xiàn)代威亞(HYUNDAI WIA)展出的高速、高精度五軸立式加工中心 XF6300,具有高級模具產(chǎn)品和高精密加工特性,該機采用高性能內(nèi)置式15 000 r/min 主軸,可以使傳遞給軸的震動最小化,通過配合高精密多樣化主軸,可實現(xiàn)微米級高精密加工。
意大利菲迪亞(FIDIA)推出了五軸高速銑削立式加工中心,高速主軸可達24 000 r/min,AC五軸擺動頭,主要應(yīng)用于汽車保險杠、車燈、內(nèi)飾模具、塑膠模具等的高速五軸銑削加工。
五軸聯(lián)動數(shù)控機床國內(nèi)研究現(xiàn)狀
雖然近些年我國數(shù)控技術(shù)發(fā)展較快,在一些先進領(lǐng)域取得了長足的進步,但由于我國工業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱、數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化時間短等原因,在技術(shù)上和產(chǎn)業(yè)上與發(fā)達國家相比還存在一定差距,尤其是高端五軸聯(lián)動數(shù)控機床,相比于國際先進水平差距更大。具體體現(xiàn)在五軸數(shù)控機床高檔數(shù)控系統(tǒng)、關(guān)鍵功能部件還不能自主研發(fā),與國外先進的五軸聯(lián)動數(shù)控機床相比,在可靠性、效率、精度保持性和智能化方面差異較大。但是在國家政策的大力支持和企業(yè)、高校的共同努力下,尤其是在《中國制造 2025》制造強國戰(zhàn)略將高端數(shù)控機床和基礎(chǔ)制造裝備行業(yè)列為中國制造業(yè)的戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域之一后,我國高檔數(shù)控機床的研發(fā)迎來重大發(fā)展機遇,五軸聯(lián)動數(shù)控機床實現(xiàn)了由研發(fā)試制向定型量產(chǎn)的快速轉(zhuǎn)型,技術(shù)方面有了很大的進步,逐漸形成了我國自己的成熟數(shù)控機床產(chǎn)品。
武漢華中數(shù)控股份有限公司經(jīng)過攻關(guān),已掌握了五軸聯(lián)動的許多關(guān)鍵技術(shù),研制了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的五軸數(shù)控系統(tǒng)。其中,華中數(shù)控開發(fā)的8型五軸數(shù)控系統(tǒng)裝置軟硬件體系結(jié)構(gòu)采用的是開放式、全數(shù)字、總線式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),在總線拓撲結(jié)構(gòu)方面,采用環(huán)形或線形結(jié)構(gòu),連接具有標(biāo)準(zhǔn)總線接口的伺服驅(qū)動、I/O單元或數(shù)據(jù)采集模塊,使得五軸系統(tǒng)與不同的轉(zhuǎn)臺數(shù)控機床靈活地組合在一起,大大提高了加工效率。目前,華中8型五軸數(shù)控系統(tǒng)已應(yīng)用在 AC擺頭五軸龍門加工中心、BC擺頭五軸立式加工中心、動梁龍門式五軸加工中心等五軸高檔數(shù)控機床。
科德數(shù)控股份有限公司高度重視技術(shù)研發(fā),堅持核心、自主、可控的發(fā)展戰(zhàn)略,承擔(dān)國家重大專項“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”研發(fā),其研發(fā)的 KMC800SU 五軸聯(lián)動立式加工中心產(chǎn)品更是入選 “軍工領(lǐng)域國產(chǎn)高檔數(shù)控機床供應(yīng)目錄”。該機床床身使用礦物鑄石材料澆鑄,有著極佳的抑振性和抗熱變形能力,采用主軸移動模式,具備高達 48 m/min、0.7 g的性能指標(biāo),相比于傳統(tǒng)機型,具有更高的材料去除率、更小的干涉、更強的切削剛度、更高的速度和精度。此外,科德數(shù)控最新研制的雙五軸立式加工中心DMC50,采用先進的模塊化設(shè)計理念,在銑削、鉆孔、攻絲等功能的基礎(chǔ)上,還可集成車削模塊、超聲加工模塊、磨削模塊等復(fù)合化功能。一次裝夾即可完成多工序、多任務(wù)加工,保證精密零件的較高加工精度和加工效率。機床可搭配機械手加料倉實現(xiàn)單機自動化,同時,因機床結(jié)構(gòu)緊湊,寬度尺寸小,有利于多機組線,能夠有效節(jié)省占地空間。該機床特別適合航空航天、刀具工具、精密模具、醫(yī)療器械、新能源汽車與半導(dǎo)體等行業(yè)的零件高效、高精度加工。
沈陽機床作為中國老牌機床制造骨干企業(yè),擁有著豐富的機床制造經(jīng)驗和雄厚的研發(fā)實力,早在 2010 年,沈陽機床就展出了用于鈦合金航空結(jié)構(gòu)件加工的VMC25100u型立式五軸聯(lián)動加工中心和銑頭可自動交換的 GMC1230u 高速龍門五軸加工中心,打破了國外對該機床相似產(chǎn)品的壟斷,是當(dāng)時我國五軸聯(lián)動數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的一項重大突破。沈陽機床充分發(fā)揮自身優(yōu)勢,于 2020 年研制的國內(nèi)首臺高鐵行業(yè)專用的高速五軸加工中心成功上線,該機床針對高鐵行業(yè)典型零件加工需求,攻克了大型機床的整機輕量化技術(shù)、超長行程床身精度保障技術(shù)、X 軸超高速快速移動技術(shù)、整機高精度加工技術(shù)、變形補償加工技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),大大提升了我國高端數(shù)控機床自主創(chuàng)新能力。
濟南二機床展出了自主研發(fā)的 XHSV2525A×40 高架式五軸聯(lián)動高速鏜銑加工中心,加工中心核心功能部件應(yīng)用了 JIER 自主知識產(chǎn)權(quán)的 AC 軸雙擺角數(shù)控銑頭,具有高精度、高效率和高可靠性特點,能夠滿足國內(nèi)航空航天領(lǐng)域大型薄壁類結(jié)構(gòu)件、汽車模具行業(yè)大型復(fù)雜曲面等不同加工工藝的高難度需求。
北京機床研究所在第十七屆中國國際機床展覽會上展出了μ1000/5ST-400V精密立式五軸加工中心,可對多種加工材料進行加工,一次裝夾即可完成銑、鏜、鉸、攻絲和輪廓的粗、精加工并可實現(xiàn)五面加工,具有高效率、高精度、高可靠性,適用于國家重點領(lǐng)域復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)件的加工及精密零件的高效加工。
上海交通大學(xué)和上海電機學(xué)院合作研發(fā)了大型龍門式五軸聯(lián)動加工中心,其中,五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)和擺動軸關(guān)鍵部件實現(xiàn)了自主研發(fā),該加工中心主要用于船用螺旋槳復(fù)雜曲面精密加工的五軸聯(lián)動高效路徑規(guī)劃及其工藝優(yōu)化,實現(xiàn)了大型五軸聯(lián)動數(shù)控裝備在螺旋槳加工等領(lǐng)域的應(yīng)用。上海交通大學(xué)還與拓璞數(shù)控等單位合作,首次研制出了航空航天大型曲面蒙皮 / 箱底的雙五軸鏡像銑削技術(shù)與裝備,實現(xiàn)了高端工業(yè)母機在高精度、大范圍和多坐標(biāo)等關(guān)鍵指標(biāo)方面的提升,帶動了大型高精度機床、雙五軸聯(lián)動同步、加工過程質(zhì)量閉環(huán)等共性技術(shù)的突破,解決了飛機和火箭超大超薄柔性曲面的精密加工難題,可應(yīng)用于我國航空航天重點企業(yè),支撐起我國大飛機及運載火箭等型號的研制與批產(chǎn)。
清華大學(xué)(機械系)-科德數(shù)控技術(shù)聯(lián)合研發(fā)中心共同負責(zé)的“航天復(fù)雜構(gòu)件國產(chǎn)五軸高效精密加工成套工藝與制造系統(tǒng)”項目,針對航天復(fù)雜構(gòu)件的高效精密加工開展了五軸加工中心標(biāo)定技術(shù)、在線測量技術(shù)的研究,提高了國產(chǎn)機床的精度保持性;針對傳統(tǒng)數(shù)控加工“連續(xù) - 離散 - 連續(xù)”造成的信息丟失,進行了CAM 刀具路徑規(guī)劃、NURBS 曲線直接插補、五軸聯(lián)動全局時間最優(yōu)速度控制技術(shù)研究,提高了加工精度和效率。
南京航空航天大學(xué)、電子科技大學(xué)等多所高校在國家科技重大專項等項目支持下,持續(xù)十余年合作攻關(guān),研發(fā)了五軸聯(lián)動數(shù)控機床 S 形試件檢測方法,突破了基于S形試件的五軸數(shù)控機床精度優(yōu)化和復(fù)雜曲面零件加工工藝優(yōu)化技術(shù),保障了國家重點型號飛機的批產(chǎn),推進了國產(chǎn)五軸聯(lián)動數(shù)控機床的自主可控發(fā)展,實現(xiàn)了我國在機床精度檢測領(lǐng)域“零”國際標(biāo)準(zhǔn)的突破。
三、五軸聯(lián)動數(shù)控機床的發(fā)展趨勢與未來展望
發(fā)展趨勢
從上述國內(nèi)外五軸聯(lián)動數(shù)控機床的研究現(xiàn)狀可以明顯看出,如今五軸聯(lián)動數(shù)控機床的發(fā)展趨勢為:
1)高速化。隨著機床技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,五軸聯(lián)動高速數(shù)控機床內(nèi)部高速化進給機構(gòu)、高速化電主軸等均有所突破,使得數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)速和進給量的范圍變大。其中,直線型電機驅(qū)動主軸實際轉(zhuǎn)速現(xiàn)已達到100 000 r/min,而進給運作部件的快速移動實際速度已達到120 m/min,機床系統(tǒng)切削進給速度已達到60 m/min,有效地減少了零件的加工時間和輔助時間,提高了生產(chǎn)效率。
2)精密化。五軸聯(lián)動數(shù)控機床的加工精度非常高,隨著電腦輔助制造(CAM)系統(tǒng)的發(fā)展,精密度已達到微米級。在加工高精度零件時,可以保證零件的尺寸精度和形狀精度,避免了加工誤差。
3)復(fù)合化。五軸聯(lián)動數(shù)控機床是為適應(yīng)多面體和曲面零件加工而出現(xiàn)的,隨著機床復(fù)合化技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了五軸車銑復(fù)合加工中心、鏜銑鉆復(fù)合加工中心、銑鏜鉆車復(fù)合加工中心等,可以同時進行多個加工操作,大大提升了加工效率。比如,在加工復(fù)雜零件時,可以同時進行銑削、鉆孔、攻絲等操作,從而縮短零件加工周期。
4)智能化。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展,數(shù)控機床已快速向智能化方向發(fā)展,目前,數(shù)控機床加工過程已實現(xiàn)加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇、加工過程的自適應(yīng)控制、加工過程智能故障自診斷與自修復(fù)、加工過程智能故障回放和故障仿真、智能化交流伺服驅(qū)動裝置等。
5)柔性化。五軸聯(lián)動數(shù)控機床對復(fù)雜曲面等加工對象的變化有很強的適應(yīng)能力,被加工工件經(jīng)過一次裝夾就可以實現(xiàn)多個曲面和多個角度的加工,避免了普通數(shù)控機床加工多次變換工種、工序間的轉(zhuǎn)件以及劃線等情況。目前,數(shù)控機床正朝著單元和系統(tǒng)柔性化的方向發(fā)展。
未來展望
綜上,五軸聯(lián)動數(shù)控機床目前已朝著高速化、高精度化、復(fù)合化、智能化、柔性化的方向快速發(fā)展。國外在五軸聯(lián)動數(shù)控機床的設(shè)計制造方面已比較成熟,而我國由于工業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱、數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化時間短、基礎(chǔ)共性技術(shù)短板突出、高端創(chuàng)新人才短缺等原因,在五軸聯(lián)動數(shù)控機床技術(shù)和產(chǎn)業(yè)上與西方發(fā)達國家相比還存在一定差距。因此,國產(chǎn)高端數(shù)控機床要想盡快縮小與國際高端數(shù)控機床間的差距,解決困擾我國高端數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的工程難題,建議做到以下幾點:
1)大力構(gòu)建高端數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)以企業(yè)為主體的產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新體系,加快我國高端數(shù)控機床關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān),為強鏈補鏈提供技術(shù)支撐,不斷提升我國五軸聯(lián)動高端數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)鏈自主可控能力。
2)國家研發(fā)部門要大大提高對高端數(shù)控機床裝備制造領(lǐng)域基礎(chǔ)共性技術(shù)研究的重視和投入,建設(shè)五軸聯(lián)動高端數(shù)控機床國家重點實驗室,完善共性技術(shù)創(chuàng)新體系。
3)大力培養(yǎng)我國的高端數(shù)控技術(shù)人才,以《中國制造 2025》的發(fā)布為契機,聚焦國家制造強國戰(zhàn)略需求,動態(tài)調(diào)整優(yōu)化高等教育學(xué)科設(shè)置,加強工程教育、科學(xué)教育,加強高端數(shù)控技術(shù)拔尖創(chuàng)新人才自主培養(yǎng),為我國進一步加快攻克高端數(shù)控機床關(guān)鍵核心技術(shù)提供人才保障。
參考文獻略.