淺談五軸立式加工中心的新發展

大連科德數控股份有限公司 侯延星

淺談五軸立式加工中心的新發展

大連科德數控股份有限公司 侯延星

第十五屆中國國際機床展覽會（CIMT217）于2017年4月17-22日在北京中國國際會展中心（新館）舉辦。本屆展會以“新需求·新供給·新動力”為展會主題，詮釋了當前環境下機床工具產業面臨的全新挑戰和機遇。

裝備制造業是一個國家建設的基石，機床是一個國家制造業水平的象征，而代表機床制造業最高境界的五軸聯動數控機床，則反映了一個國家的工業發展水平狀況。機床設備不但同國家航空工業、船舶制造、軍工產業、科技技術、精密器械等設備制造行業有著非常大的關系，而且還與人們的日常生活等方方面面密不可分。

五軸聯動數控機床對一個國家的航空航天、軍事、科研、精密器械、高精醫療設備等行業，有著舉足輕重的影響力。長期以來，西方工業發達國家，一直把五軸聯動數控機床作為重要的戰略物資，對我國實行封鎖禁運。進人二十一世紀，我國機床行業獲得了突飛猛進的發展，現已成為世界第一機床制造國，但高檔、大型、精密、高速數控機床以及數控系統依然依靠進口。我國要想成為制造業強國，就必須擁有自己的五軸數控機床技術。本文僅對五軸立式加工中心談談自己的看法。

五軸形式：一般分為擺頭式：包括（雙擺頭類和一擺一轉類）（見圖1）；搖籃式：雙轉工作臺類（見圖2）。

圖1 擺頭式 圖2 搖籃式

對于千變萬化的五軸機床，從UG或POWERMILL之類的編程軟件的后處理的角度來看，只有三大類：

（1）雙擺銑頭類（UG稱之為：5軸帶雙轉頭/5-AXIS with dual rotary heads）。

（2）一擺一轉類（UG稱之為：5軸帶轉頭和輪盤5-AXIS with rotary head and table）。

（3）雙轉工作臺類（UG稱之為：5軸帶雙輪盤/5-AXIS with dual rotary tables）。

擺頭式由于工件只做C軸運動，甚至有些連C軸都由主軸箱旋轉來完成，這種形式對于超大超重型零件加工有著不可替代的作用。但是必須配備斷電保護功能，使機床在遭遇突然斷電后能尋原路退至原點。否則在偏擺主軸打孔或攻絲時突然斷電就只能呵呵了；搖籃式適用于輕型零件，主軸只作直線軸運動，所以結構更簡單可靠，主軸剛性及精度也會更好。配上直線電機和力矩電機可做高速加工及銑車復合加工，在小型精密模具行業有著重要意義。

一、搖籃式雙擺臺雙五軸立式加工中心（兩個轉動坐標直接控制空間的旋轉）

典型代表1：德國哈默全功能的5軸數控高性能C42U動態加工中心

產品特點：

（1）改良的龍門設計，系統地避免了傳統龍門的缺陷。

（2）刀具3軸移動設計，動力不受工件限制，為快速移動和進給力（最大可達60m/min）提供了理想的先決條件。

（3）工作臺模塊構造，多功能床身具有多種可選配置。

（4）驅動與導軌在工作區域之外。

（5）Z軸帶有電動機械快速急停，避免非受控掉落。

（6）復合設計，對空間要求不高。

（7）最優化的靜態以及動態特征。

（8）高運行精度，定位精度，以及長期精度。

（9）加工過程高動態。

（10）得益于動力版本中6m/s2或10m/s2的高加速度，使得定位、啟動時間短。

（11）Y滑軌移動，三個滑塊在三個交叉排列的導軌上。

（12）三點支撐與中心驅動系統造就了卓越的導軌移動性。

（13）所有線性軸均使用滾珠導軌，造就了持續穩定的動態條件。

（14）帶有的數碼AC伺服馬達和永久預緊力滾珠絲桿副性位置監控系統。

（15）永久定位監測。

（16）低養護率的自動中心潤滑系統。方式，可實現五軸聯動加工，且工作臺最大承重達600kg,顯著擴大各類復雜零部件產品加工范圍。

（3）創新的環形刀庫設計更是顯著降低切削對切削時間，可實現同級別設備最快4.5s的切削對切削時間，標準1層34把，可選2層68把，3層102把多樣化刀具配置顯著提高了適用加工范圍。

（4）高精密電主軸標配15000r/min，可選最大40000r/min，尤其在高精密產品加工中表現出優秀加工品質。

（5）標配的激光方式的刀具在線監測更是能保證高精密加工特性。1000段程序預讀功能及8CH的熱變形補償裝置等綜合模具包選項，更是能保證高端零部件產品精密度要求。

典型代表3：大連光洋KMC1250UMT五軸立式加工中心

典型代表2：現代威亞XF6300高端五軸機

產品特點：

（1）X/Z軸的新型箱中箱結構更是在最大程度上減小熱變形。

（2）A/C軸采用伺服電機直驅

產品特點：

（1）采用的改良龍門框架結構設計，采用人造大理石材料床身，與鑄鐵床身相比具有極佳的抑振性和抗熱變形性能。

（2）機床聯動軸數為5,刀具3軸移動設計，采用高性能伺服驅動電機直聯滾珠絲杠傳動，動態性能不受工件限制，實現高動態特性、高效率加工。

（4）y軸采用四導軌支撐和重心驅動方式。自動拾取式環形刀庫與床身融為一體，結構緊湊節省空間，拾取式換刀速度更快（屑對屑時間為5s)。

（5）數控回轉擺動工作臺實現雙臂支撐和單/雙驅動，實現C軸連續360°旋轉并支持高速車銑功能，A軸± 130°擺動。

（6）機床采用通用性設計，兼容3 ～5軸機床擴展功能，4軸可選單/雙驅控制，C軸可選銑削/銑車功能，x/y/z軸支持半閉環/全閉環控制，三種規格車銑復合電主軸，多種機床配置形式可滿足不同用戶的加工要求。

（7）同時機床作業空間大，干涉范圍小，切削剛度強，動態性能高、安裝空間緊湊。具有3維切削仿真和3維防碰撞功能，機床MTBF達到1500h。

（8）科德數控自主研發的KMC1250U五軸銑車復合立式加工中心采用模塊化設計概念，具有更大的作業空間，更小的干涉，更強的切削剛度，更高的速度、精度和更緊湊的安裝空間，是目前亞洲最大的搖籃式雙擺臺雙五軸立式加工中心。

典型代表4：臺灣永進

二、俯垂型雙擺臺立式加工中心（兩個坐標軸在工作臺上，但旋轉軸不與直線軸垂直）

典型代表：D800Z

目前，國內五軸加工越來越普遍，這種通過傾斜接觸工件、縮短刀具夾持距離的加工方式，不但實現了高精度，而且無需二次夾裝即可從各個方向加工復雜工件的技術，大大縮短了加工時間，在這些優勢下，以前設法用三軸加工的工件現已越來越多地轉移到五軸上加工。

2.4.2 放射自顯影技術原理 中學生物學教材中分泌蛋白合成與運輸的實驗，即是利用該項技術進行放射性檢測。科學家分別在不同時間處死豚鼠，并制備其胰腺腺泡細胞的超薄切片。之后，將鹵化銀乳膠膜均勻敷于切片表面，置于暗室中曝光。由于3H衰變放射出β射線，與鹵化銀晶體顆粒反應，使其轉變為金屬銀顆粒形成潛影，再經顯影、定影后，即可用顯微鏡進行觀察。該實驗最終使用最佳的三次顯影效果確定了分泌蛋白合成與運輸的路徑。

1．出色的精度

D 8 0 0 Z無關負載（可達1,200kg），其第4軸和第5軸整體式直驅馬達和高剛性的機床支撐結構都能夠提供敏捷、平滑的運動，確保出色的精度。此外，牧野對機床的熱穩定性非常重視，通過軸芯冷卻滾珠絲杠，直驅馬達溫度控制等，保證機床提供持久的精度。

2．可靠的剛度

設計獨特的“Z”形搖籃式可傾轉工作臺（不是傳統的懸臂梁設計），確保了工作臺和工件的重心總是落在B軸和C軸的旋轉中心，而不受傾斜角度的任何影響。工作臺是由一個大直徑的十字交叉滾柱軸承來支撐，與傳統的懸臂工作臺相比，具有更小的偏擺，能夠提供更卓越的硬度和剛度。

3．高速度

D 8 0 0 Z有兩種主軸規格D800Z(#40)和D800Z(#50)，可以組合出四種不同的主軸配置：標配14,000r/min (HSK-A63)，可選配20,000 r/min (HSK-A63)、 12,000 r/min (HSK-A100)或18,000 r/min(HSK-A100)。每個主軸牧野都確保無振動加工，這種廣泛的主軸選擇讓D800Z可以定制，以滿足精密零件、模具和航空航天領域的不同應用。快速進給方面，X、Y、Z軸均為36,000 mm/min，B和C軸為18,000°/min(50r/min)。

最新加入牧野D系列大家庭（D300和D500）的D800Z五軸立式加工中心，是在D500獲得市場認可的成功基礎上研發并推出的，重點追求精度、剛度和速度優異的性能，專為精密零件、模具和航空航天領域應用。同D300和D500一樣，D800Z也可輕松接近主軸和工作臺操作；具有高剛性的結構；快速響應切削；高質量的加工表面及可選配自動化裝置。然而，D800Z絕對是D家族的“大哥大”，可加工直徑達1m，重達1.2t的大型工件，提高裝夾效率，減少操作工序，縮短生產時間，快速平穩移動，切實實現高精度、高效率加工。

4．精度控制

作為D800Z的特色之一，也是牧野的專利技術——新一代超級幾何智能控制(SGI.4)軟件，專門用于高速、小公差下，對復雜三維模型中微小程序段的處理加工，這可比標準的數控系統生產速度更快，精度更高。有助于復雜型腔、型芯和航空航天部件縮短多達40%的模具加工周期和成本。還有刀具中心點(TCP)控制，可基于刀尖進行編程，以便應用刀具補償功能。TCP還能優化刀具路徑，實現更高的加工質量。

5．操作方便安全

防護門采用正面與頂面同時開放的設計，這就更方便接近主軸和工作臺及裝載大型工件；配備的大視窗，視野更開闊；標配的主軸-工作臺防撞功能，可有效防止主軸與工作臺間的干涉，消除錯誤編程或誤操作而引起的碰撞風險。友好的用戶操作界面，大大簡化了五軸加工的應用。

6．經濟的運行成本

D800Z旨在通過減少人工和能耗，降低工廠的運行成本。工件可以一步加工完成或少于以前的工序，無需再手動干預、測量或補償。具體來說，就是很少或不用手工拋光、去毛刺等方式來提高加工質量和精度。該機體積小巧占地空間僅為3,350mm(W) ×4,990 mm (D) ×3,600mm(H)，為了降低功耗，節約能源，D800Z設有Eco模式，在不需要時關閉外圍設備；液壓單元的蓄電池在泵處于空閑狀態時保持零功耗。

D800Z可以從容應對五軸加工大型零件所面臨的工件尺寸、重量和加工范圍等諸多挑戰。始終提供持久穩定的動態精度，高質量的加工表面及加工精度，降低加工成本，滿足客戶生產需求。

三、一擺一轉形式立式加工中心（兩個轉動坐標一個作用在刀具上，一個作用在工件上）

該結構形式常見于“龍門+立車結構”，在中小型立加上展會上也有所體現：主要是臺灣一些廠家，基于經典的十字滑臺結構，保持了原有結構的共性特點外，在原有機床基礎上在主軸箱上增加擺動B軸功能，在十字滑臺軸上增加C軸功能，實現典型小葉片等零件的五軸聯動加工。

第十五屆中國國際機床展覽會展出的多軸立式加工中心主要體現在4個層次梯隊：

第1梯隊，以歐系為代表的多軸立式加工中心，主要結構為搖籃式雙擺臺雙五軸立式加工中心，同時也有哈默、巨浪等國際知名廠家雙主軸立式強力加工中心，針對行業客戶的細分市場，產品無論從外觀內在，還是設計水平及創新性，抑或加工能力和加工精度，幾乎無可挑剔。產品不僅具有良好的機床精度和性能，更為關注機床的加工效率和能耗的控制，精工細作，精益求精，機床加工精度極高，產量很低。因價格實在太貴，使用成本實在太高，用戶往往在迫不得已的情況下才會選購。這些企業屬于世界領先產品制造商。

第2梯隊為德國的DMG及牧野等日系產品，產品品質、科技創新方面大幅領先。具體表現為：天然或者人造大理石床身技術、床身恒溫技術、直線電機驅動、滾珠絲桿中心冷卻、重心驅動、超快速換刀機構、高速電主軸等先進技術。典型代表為DMG立式車銑復合加工中心及牧野的俯垂型雙擺臺立式加工中心，在中小規格的立加結構上采用動工作臺動工件的理念是比較合乎加工力學模型的，同時主軸保持良好的剛性，供持久穩定的動態精度，高質量的加工表面及加工精度，重點追求精度、剛度和速度優異的性能，專為精密零件、模具和航空航天領域應用。

第3梯隊為韓系產品、中國臺灣地區產品及中國大陸本土產品，第3梯隊大多是國外及中國臺灣地區機床企業在大陸的合資品牌或者在大陸生產，同時勉強把大陸做的相對好的產品廠商統統歸到第3梯隊。第3梯隊總體上具有有較強設計能力，注重實效，產品不追求完美，講究實用，在機床的生態環境中扮演了狼的角色，對推動國內機床業的技術、管理及營銷水平，起到了相當積極的作用。

第4梯隊，這支梯隊至少有一半的廠家采用組裝光機的方式生產立加，產品同質化嚴重，進入門檻比較低。如果工廠規模相當、管理合理，不同品牌品質之間的差異很小。選擇這支梯隊的機床需要用戶具備比較強的應用能力，可以根據自己的實際需要靈活選擇最適合自己的機床部件和選配件，用對、用好機床可以生產出讓人刮目相看的產品。

四、結語

總之，在最基本的機械結構上，無論是哪個梯隊都可以找到相似的外形，基本可以做到形似，功能上也能達到特定領域用戶的基本需求，在滿足用戶基本需求同時，都在向單機自動化，自動化組線，工藝復合提高加工精度，提高零件加工高效率方向發展。但從產品品質的角度看確實不可同日而語，但無論如何在技術上都離不開人造大理石床身技術、床身恒溫技術、直線電機驅動、滾珠絲桿中心冷卻、重心驅動、超快速換刀機構、高速電主軸等先進核心技術的掌握與應用研發，都離不開主軸，各種擺頭，各種形式轉臺，數控系統，伺服驅動，刀庫，排屑器，防護等機床附件等功能部件的研發，先進的制造技術體系的打造，高性價比的供應鏈體系的整合。真正的產品必須以服務滿足于用戶的需求為前提，所以未來誰真正擁有核心技術，擁有最高性價比的技術產業鏈，最根植于用戶需求的完美理解，誰才是最后的贏家！□