高速加工中心

高速加工中心，不斷提高的工作性能是模具製造業得以高效和高精度加工模具的重要前提。在驅動技術的推動下，湧現出結構創新、性能優良的眾多不同類型的高速加工中心。90年代中後期出現的三軸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槓驅動發展到目前的直線電機驅動，迴轉運動 (A和C軸)採用了直接驅動的轉矩電機，有的公司並通過直線電機和轉矩電機使加工中心發展成全採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。

基本介紹

• 中文名：高速加工中心
• 外文名：High speed machining center 
• 類別：精密儀器

背景

近十多年來，由於刀具、驅動、控制和工具機等技術的不斷進步，高速加工和高效加工，特別是高速硬銑已在模具製造業中得到了廣泛套用和推廣，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製造周期，降低了模具生產成本。

模具高速加工設備

基本結構

結構特點

用於模具加工的高速加工中心，一個普遍的結構特點是採用龍門式框架結構，以此增強工具機剛性，且便於充分利用加工區的空間。工具機床身的材料則多數採用了聚合物混凝土，由於這種材料具有較好的阻尼性能和較低的熱傳導率，故有利於提高模具的加工精度。

結構型式

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)用於刀具運動和兩個附加旋轉軸(A和C)用於工件的迴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)設定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範圍內的任意位置上。這種類型的工具機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。有個別工具機有把擺動軸和迴轉軸均設定在主軸頭上，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。

高速加工中心

優點

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，但這種高檔工具機特別適合用來加工幾何形狀複雜的模具。

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迴轉及擺動為立銑刀的加工創造最佳的工藝條件，並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，從而有利於提高模具的表面質量、加工效率和刀具的耐用度。用戶在採購加工中心時，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複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裡的最新成就，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。在模具自由曲面和複雜輪廓的加工中，常常採用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。而對於模具的微細銑削(銑刀直徑一般採用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(採用空氣軸承)，這樣的高轉速，當採用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，總是採用很高的轉速，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。

高速加工中心

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、位移和振動的感測器，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，對加工參數進行最佳化。

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採用伺服電機和滾珠絲槓來驅動直線坐標軸，但部分加工中心已採用直線電機，例如德國Röders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)。由於這種直線驅動免去了將迴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。

採用直線電機驅動的工具機可顯著提高生產率。例如在加工電火花加工用的電極時，加工時間要比採用傳統高速銑床減少50%。

直線電機可以顯著提高高速工具機的動態性能。由於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恆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，工具機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，迴轉工作檯的擺動以及叉形主軸頭的擺動和迴轉等運動，已廣泛採用轉矩電機來實現。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。由於轉矩電機可達到極高的靜態和動態負載剛性，從而提高了迴轉軸和擺動軸的定位精度和重複精度。目前，已有部分廠家的高速加工中心，已採用直線電機和轉矩電機來分別驅動直線軸(X/Y/Z)和迴轉擺動軸(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。

高速加工中心

應該提及的是，直接驅動的直線軸與直接驅動的迴轉軸相組合，使工具機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工具機加工的速度、精度和表面質量。因此，對於加工模具自由曲面的高速工具機，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式，這些數據流需要由工具機控制系統來儲存和處理，因此，程式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控制系統的程式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式段處理時間已縮短到0.2～0.4ms。

套用於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式處理時間外，還應具有Nurbs和樣條插補功能，並能以納米的解析度進行工作，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系統進行連線，數據從CAD/CAM系統經乙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複雜輪廓的加工獲得良好的效果，並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工具機上，除R歞er公司是採用自己開發的數控系統外，其它主要是採用了西門子的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套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。而在模具加工工具機的多種結構創新中，轉矩電機起到了特別重要的作用。它不僅套用於迴轉工作檯的迴轉和擺動驅動，而且還套用於叉形主軸頭的擺動或主軸頭的擺動和迴轉驅動，由此構成各種不同類型的五軸加工中心。而迴轉和擺動主軸頭的套用，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。

今後，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，這不僅仍要依賴於驅動技術和數控技術的進一步發展，還要有賴於工具機構件輕量化的發展和並在線上床的開發。可以預料，在今後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。

操作要求

高速加工中心不斷提高的工作性能是模具製造業得以高效和高精度加工模具的重要前提。在驅動技術的推動下，湧現出結構創新、性能優良的眾多不同類型的高速加工中心。不要在高速加工中心周圍放置障礙物，保證工作空間應足夠大；不要將水或油濺到地面上’保證工作地面潔淨乾燥；不要移動或損壞安裝在工具機上的警告標牌'保證安全警示標誌鮮明醒目.

不要用濕手去觸摸開關，否則也會引起電擊；在按下開關盲前一定要確保其正確，以免接錯造成危險；熟悉急停按鈕的位置，保證在任何需要使用時'無須尋找就會按到它。

未經安全操作培訓者不能操作台灣高速加工中心，而且一般不允許兩人同時操作台灣台鈺精機高速加工中心口若某項工作需要兩人或多人共同完成時，在操作的每一個步驟上都應當規定出協調的信號’除非已給出了規定的信號，否則就不要進行下一步驟的操作。不要改變系統參數值或其它電氣設定。台灣高速加工中心若必須更改時，應在改變之前將原始值記錄下來，以便在必要時恢復到原始調整值上。

高速加工中心