近年來，我國的工業(yè)經(jīng)濟(jì)總體增長較快，國際制造產(chǎn)業(yè)向中國快速轉(zhuǎn)移跡象明顯，但尚未擺脫產(chǎn)品檔次低、國際競爭力弱的局面。中國制造產(chǎn)品，除人工成本低外，其他如質(zhì)量、款式、技術(shù)含量等方面均不具備競爭優(yōu)勢。當(dāng)前，在國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中存在如此現(xiàn)象，即高檔的產(chǎn)品非進(jìn)口即由進(jìn)口的機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)。而那些高精度機(jī)械設(shè)備除進(jìn)口外，還有可能通過再上游的進(jìn)口裝備機(jī)械生產(chǎn)。即每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，進(jìn)口的總比國產(chǎn)的要高一個(gè)檔次。以手機(jī)為例，雖然部分國產(chǎn)手機(jī)質(zhì)量超過進(jìn)口產(chǎn)品，但機(jī)殼大多由進(jìn)口模具生產(chǎn)。而最高精度的模具又須借助高端進(jìn)口數(shù)控加工中心生產(chǎn)。整個(gè)制造業(yè)長期依賴進(jìn)口設(shè)備，導(dǎo)致惡性循環(huán)，可能帶來三個(gè)結(jié)果：一是始終不能獲得國際上最新最好的技術(shù)設(shè)備。導(dǎo)致中國的制造業(yè)永遠(yuǎn)停留在二流水平。二是最終產(chǎn)品的大部分價(jià)值被發(fā)達(dá)國家所獲取。三是不能掌握整個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心技術(shù)，國民經(jīng)濟(jì)的命脈始終掌握在他人手里。
因此，筆者認(rèn)為，中國要在制造業(yè)方面趕上或超過發(fā)達(dá)國家，在大力發(fā)展本國數(shù)控、模具產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)上，要積極推廣應(yīng)用高檔數(shù)控裝備，包括適當(dāng)進(jìn)口國外先進(jìn)的數(shù)控加工中心。因?yàn)楦邫n數(shù)控機(jī)床、模具處于制造產(chǎn)業(yè)鏈的最前端。而模具產(chǎn)品質(zhì)量的高低，很大程度上也是受制于數(shù)控加工設(shè)備。五軸聯(lián)動(dòng)是高檔數(shù)控的代表。長期以來，以美國為首的西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家，一直把將五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資，實(shí)行出口許可證制度。發(fā)展中國家不但在生產(chǎn)研發(fā)上有難度，而且在引進(jìn)方面也有很大的阻力。
五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床之所以重要，在于它能夠加工具有復(fù)雜曲面的機(jī)械配件，特別在解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、大型柴油機(jī)曲軸等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。因此，高精度的數(shù)控機(jī)床對于一個(gè)國家的軍事、航空航天、精密醫(yī)療設(shè)備、科學(xué)研究、精密儀器等行業(yè)有著舉足輕重的影響力，堪稱“制造業(yè)之靈魂”。
現(xiàn)代化的數(shù)控機(jī)床首先是由美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家開發(fā)研制的。因此，從目前情況看，進(jìn)口的技術(shù)含量相對要比國產(chǎn)的好一些，但是國內(nèi)部分企業(yè)研發(fā)的產(chǎn)品質(zhì)量也在逐步趕上來。要在適當(dāng)引進(jìn)外國先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的基礎(chǔ)上，注意消化吸收，穩(wěn)步地發(fā)展本國的高端數(shù)控產(chǎn)業(yè)。一味地依賴進(jìn)口，必將使中國的制造業(yè)乃止整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)受制于人。但是人類歷史任何一種科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，都是站在巨人的肩膀上發(fā)展的，摒棄別國現(xiàn)有的尖端科學(xué)技術(shù)不用，無疑也是一種閉門造車和夜郎自大的思想。
由于中國產(chǎn)業(yè)的層次比較多，加上以五軸聯(lián)動(dòng)為代表的高檔數(shù)控機(jī)械價(jià)格昂貴，在具體的行業(yè)和企業(yè)引進(jìn)應(yīng)用上還應(yīng)實(shí)事求是。有些加工精度要求較低的產(chǎn)品，用一般加工設(shè)備更加經(jīng)濟(jì)。如寧波的釹鐵硼出口產(chǎn)業(yè)就是以寧波本地的中低檔數(shù)控機(jī)床為依托，采用低成本策略帶動(dòng)的。在模具行業(yè)，比如產(chǎn)生精密模、鑄造模企業(yè)用不用高檔數(shù)控機(jī)床，對于提高模具產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。在其它精密儀器、航空航天、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)，應(yīng)該鼓勵(lì)引進(jìn)尖端的技術(shù)裝備。一些在發(fā)展中的企業(yè)，可采用技術(shù)聯(lián)合的辦法，購買一些價(jià)值高的技術(shù)設(shè)備。如寧波北侖有一家三創(chuàng)公司，這是一家具有國際一流加工設(shè)備的模具技術(shù)服務(wù)公司，由吉業(yè)、車燈、輝旺、鑫達(dá)等5家企業(yè)共同出資組建。成立的總旨就是專門為北侖的中小模具企業(yè)服務(wù)，減少進(jìn)口設(shè)備的重復(fù)投資，為整個(gè)模具行業(yè)解決高科技難題。如一臺(tái)具有國際先進(jìn)技術(shù)的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，價(jià)格1000萬元左右，一般中小企業(yè)不但投資不起，且設(shè)備利用率不高。通過共同投資形式，不僅解決出資企業(yè)的加工難題，而且可以為更多的中小企業(yè)服務(wù)。這家企業(yè)一期共投資8000余萬元，用于購置國外高檔加工設(shè)備。同時(shí)用年薪100多萬元聘請國外專家進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)。當(dāng)?shù)卣步o予了一定的補(bǔ)貼。
總之，在高端制造行業(yè)推廣和應(yīng)用以五軸聯(lián)動(dòng)為代表的數(shù)控機(jī)械裝備，對于提高中國制造產(chǎn)業(yè)的層次，促進(jìn)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)品升級(jí)換代具有十分重要的意義。不僅要鼓勵(lì)有經(jīng)濟(jì)實(shí)力和戰(zhàn)略眼光的企業(yè)積極改造自身的技術(shù)裝備，各級(jí)政府還應(yīng)正確引導(dǎo)，并給予企業(yè)一定的政策扶持。
五軸高速加工中心的發(fā)展動(dòng)向
近十多年來，由于刀具、驅(qū)動(dòng)、控制和機(jī)床等技術(shù)的不斷進(jìn)步，高速加工和高效加工，特別是高速硬銑已在模具制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用和推廣，傳統(tǒng)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(jìn)行綜合加工，不僅大大提高了模具的加工精度和表面質(zhì)量，大幅度減少了加工時(shí)間，而且簡化了生產(chǎn)工藝流程，從而顯著縮短了模具的制造周期，降低了模具生產(chǎn)成本。
高速加工中心不斷提高的工作性能是模具制造業(yè)得以高效和高精度加工模具的重要前提。近年來，在驅(qū)動(dòng)技術(shù)的推動(dòng)下，涌現(xiàn)出結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、性能優(yōu)良的眾多不同類型的高速加工中心。90年代中后期出現(xiàn)的三軸高速加工中心(如瑞士Mikron公司在1996年末推出的HSM700型高速加工中心)現(xiàn)已發(fā)展到五軸高速加工中心。在驅(qū)動(dòng)方式上，已從直線運(yùn)動(dòng)(X/Y/Z軸)的伺服電機(jī)和滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)發(fā)展到目前的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(A和C軸)采用了直接驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩電機(jī)，有的公司并通過直線電機(jī)和轉(zhuǎn)矩電機(jī)使加工中心發(fā)展成全采用直接驅(qū)動(dòng)的五軸加工中心。顯著提高了加工中心的行程速度、動(dòng)態(tài)性能和定位精度。
高速加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)
用于模具加工的高速加工中心，一個(gè)普遍的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用龍門式框架結(jié)構(gòu)，以此增強(qiáng)機(jī)床剛性，且便于充分利用加工區(qū)的空間。機(jī)床床身的材料則多數(shù)采用了聚合物混凝土，由于這種材料具有較好的阻尼性能和較低的熱傳導(dǎo)率，故有利于提高模具的加工精度。
目前，根據(jù)坐標(biāo)軸的配置，五軸加工中心基本上可分為兩種結(jié)構(gòu)型式。一種是，三個(gè)直線軸(X/Y/Z)用于刀具運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)附加旋轉(zhuǎn)軸(A和C)用于工件的回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)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(gè)坐標(biāo)軸中的一個(gè)擺動(dòng)軸(A)設(shè)置在主軸頭上的結(jié)構(gòu)型式，通過叉形主軸頭實(shí)現(xiàn)主軸刀具的擺動(dòng)，而擺動(dòng)主軸頭也可通過牢固夾緊，使其定位在擺動(dòng)角度范圍內(nèi)的任意位置上。這種類型的機(jī)床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(gè)別機(jī)床有把擺動(dòng)軸和回轉(zhuǎn)軸均設(shè)置在主軸頭上，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。
五軸高速加工中心在價(jià)格上要比三軸加工中心高很多，據(jù)德馬吉DMC75V系列的五軸加工中心與三軸加工中心進(jìn)行價(jià)格比較，五軸要比三軸的價(jià)格約高50%。五軸高速加工中心價(jià)格雖高，但這種高檔機(jī)床特別適合用來加工幾何形狀復(fù)雜的模具。五軸加工中心在加工較深、較陡的型腔時(shí)，可以通過工件或主軸頭的附加回轉(zhuǎn)及擺動(dòng)為立銑刀的加工創(chuàng)造最佳的工藝條件，并避免刀具及刀桿與型腔壁發(fā)生碰撞，減小刀具加工時(shí)的抖動(dòng)和刀具破損的危險(xiǎn)，從而有利于提高模具的表面質(zhì)量、加工效率和刀具的耐用度。用戶在采購加工中心時(shí)，是選用三軸加工中心還是五軸加工中心，應(yīng)根據(jù)模具型腔幾何形狀的復(fù)雜程度和精度等要求來決定。
從高速加工中心不斷創(chuàng)新的過程中可以看出，充分利用當(dāng)今技術(shù)領(lǐng)域里的最新成就，特別是利用驅(qū)動(dòng)技術(shù)和控制技術(shù)的最新成果，是不斷提高加工中心高速性能、動(dòng)態(tài)特性和加工精度的關(guān)鍵。
電主軸
高速電主軸是高速加工中心的核心部件。在模具自由曲面和復(fù)雜輪廓的加工中，常常采用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(shí)，要求很高的切削速度，因此，電主軸必須具有很高的轉(zhuǎn)速。目前，加工中心的主軸轉(zhuǎn)速大多在18000～42000r/min，瑞士Mikro的高速加工中心XSM400U/XSM600U其主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)54000 r/min。而對于模具的微細(xì)銑削(銑刀直徑一般采用0.1～2mm)，則需要更高的轉(zhuǎn)速。如德國Kugler公司的五軸高精度銑床，其最高主軸轉(zhuǎn)速達(dá)160000 r/min(采用空氣軸承)，這樣的高轉(zhuǎn)速，當(dāng)采用0.3mm直徑的銑刀加工鋼模時(shí)，就可達(dá)到150m/min的切削速度。目前，德國Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)研究所正在開發(fā)轉(zhuǎn)速為300000 r/min的空氣軸承支撐的主軸。
加工模具時(shí)，總是采用很高的轉(zhuǎn)速，而高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的發(fā)熱，以及切削時(shí)可能產(chǎn)生的振動(dòng)是影響模具加工精度的重要因素。為保證高速電主軸工作的穩(wěn)定性，在主軸上裝有用來測量溫度、位移和振動(dòng)的傳感器，以便對電機(jī)、軸承和主軸的溫升、軸向位移和振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控。由此為高速加工中心的數(shù)控系統(tǒng)提供修正數(shù)據(jù)，以修改主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，對加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)主軸產(chǎn)生軸向位移，則可通過零點(diǎn)修正或軌跡修正來進(jìn)行補(bǔ)償。
直線電機(jī)
目前，模具加工用的高速加工中心或銑床上多數(shù)還是采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠來驅(qū)動(dòng)直線坐標(biāo)軸，但部分加工中心已采用直線電機(jī)，例如德國R?ders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(dá)2g和快速行程速度達(dá)90m/min)。由于這種直線驅(qū)動(dòng)免去了將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)元件，從而可顯著提高軸的動(dòng)態(tài)性能、移動(dòng)速度和加工精度。
采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床可顯著提高生產(chǎn)率。例如在加工電火花加工用的電極時(shí)，加工時(shí)間要比采用傳統(tǒng)高速銑床減少50%。
直線電機(jī)可以顯著提高高速機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。由于模具大多數(shù)是三維曲面，刀具在加工曲面時(shí)，刀具軸要不斷進(jìn)行制動(dòng)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恒定的每齒進(jìn)給量跟蹤給定的輪廓。如果曲面輪廓的曲率半徑愈小，進(jìn)給速度愈高，那么要求的軸加速度愈高。因此，機(jī)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的耐用度。
轉(zhuǎn)矩電機(jī)
在高速加工中心上，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的擺動(dòng)以及叉形主軸頭的擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，已廣泛采用轉(zhuǎn)矩電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)矩電機(jī)是一種同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子直接固定在所要驅(qū)動(dòng)的部件上，所以沒有機(jī)械傳動(dòng)元件，它像直線電機(jī)一樣是直接驅(qū)動(dòng)裝置。轉(zhuǎn)矩電機(jī)所能達(dá)到的角加速度要比傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)高6倍，在擺動(dòng)叉形主軸頭時(shí)加速度可達(dá)到3g。由于轉(zhuǎn)矩電機(jī)可達(dá)到極高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載剛性，從而提高了回轉(zhuǎn)軸和擺動(dòng)軸的定位精度和重復(fù)精度。
目前，已有部分廠家的高速加工中心，已采用直線電機(jī)和轉(zhuǎn)矩電機(jī)來分別驅(qū)動(dòng)直線軸(X/Y/Z)和回轉(zhuǎn)擺動(dòng)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。
應(yīng)該提及的是，直接驅(qū)動(dòng)的直線軸與直接驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)軸相組合，使機(jī)床所有的運(yùn)動(dòng)軸具有較高的動(dòng)態(tài)性能和調(diào)節(jié)特性，從而為高速度、高精度和高表面質(zhì)量加工模具自由曲面提供了最佳條件。
控制系統(tǒng)
CNC控制系統(tǒng)是高速加工中心的重要組成部分，它在很大程度上決定著機(jī)床加工的速度、精度和表面質(zhì)量。因此，對于加工模具自由曲面的高速機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)的性能具有特別重要的意義。
加工高精度自由曲面時(shí)，由微段直線和圓弧構(gòu)成的刀具軌跡造成龐大的零件程序，這些數(shù)據(jù)流需要由機(jī)床控制系統(tǒng)來儲(chǔ)存和處理，因此，程序段處理時(shí)間的長短是決定CNC控制系統(tǒng)工作效率的重要指標(biāo)。目前，高檔CNC控制系統(tǒng)的程序段處理時(shí)間一般可達(dá)0.5ms(如海德漢的iTNC530數(shù)控系統(tǒng))，而個(gè)別數(shù)控系統(tǒng)的程序段處理時(shí)間已縮短到0.2～0.4ms。
應(yīng)用于模具高速加工的現(xiàn)代CNC數(shù)控系統(tǒng)，除了具有為確保高速進(jìn)給速度所必要的很短程序處理時(shí)間外，還應(yīng)具有Nurbs和樣條插補(bǔ)功能，并能以納米的分辨率進(jìn)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(zhì)量。
目前，高檔的數(shù)控系統(tǒng)也都能與不同廠家的CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)從CAD/CAM系統(tǒng)經(jīng)以太網(wǎng)以很高的速度傳送到控制系統(tǒng)上。CAD/CAM集成到控制系統(tǒng)上，在很大程度上能使模具復(fù)雜輪廓的加工獲得良好的效果，并對縮短調(diào)整時(shí)間和編程時(shí)間做出十分重要的貢獻(xiàn)。
在上述所引述的五軸高速機(jī)床上，除R歞er公司是采用自己開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)外，其它主要是采用了西門子的840D和海德漢公司的iTNC530數(shù)控系統(tǒng)。
結(jié)束語
近十年來，驅(qū)動(dòng)技術(shù)和控制系統(tǒng)的長足進(jìn)步，推動(dòng)了加工中心結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新和性能的不斷提高。電主軸、直線電機(jī)、轉(zhuǎn)矩電機(jī)和快速數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用對提高加工中心的高速、高動(dòng)態(tài)和高加工精度起了決定性的作用。而在模具加工機(jī)床的多種結(jié)構(gòu)創(chuàng)新中，轉(zhuǎn)矩電機(jī)起到了特別重要的作用。它不僅應(yīng)用于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)，而且還應(yīng)用于叉形主軸頭的擺動(dòng)或主軸頭的擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，由此構(gòu)成各種不同類型的五軸加工中心。而回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)主軸頭的應(yīng)用，又為發(fā)展加工大型模具的五軸龍門式高速精密銑床提供了技術(shù)支持。
今后，進(jìn)一步提高主軸轉(zhuǎn)速、動(dòng)態(tài)性能和行程速度仍是高速加工中心的發(fā)展重點(diǎn)，這不僅仍要依賴于驅(qū)動(dòng)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，還要有賴于機(jī)床構(gòu)件輕量化的發(fā)展和并聯(lián)機(jī)床的開發(fā)。可以預(yù)料，在今后5年中，高速加工中心或高速銑床的軸加速度有望達(dá)到3～4g,坐標(biāo)軸的快速行程速度達(dá)到100～140m/min。
