淺析模具的典型結(jié)構(gòu)應(yīng)用及特點(diǎn)

黃 濱，廖家賢，李 安

沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司沈一車床廠，遼寧 沈陽(yáng) 110142

傳統(tǒng)的模具加工，通常都是選用三軸立式加工中心完成，在此過(guò)程之中，會(huì)伴隨著很多的人工來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的修整工作。如果選用五軸加工模具，因?yàn)榈毒吆凸ぜ恢门c角度都可以靈活地進(jìn)行調(diào)整，從而避免了加工過(guò)程的刀具干涉，任何一個(gè)裝夾能完成所有不規(guī)則形狀零件的加工處理，不但縮短了加工的周期，同時(shí)也大大提升了生產(chǎn)的效益，進(jìn)一步優(yōu)化和提高的加工器件的精準(zhǔn)度。

1 高速五軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

五軸加工模具通常都是根據(jù)其旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成的不同型式，劃分為3種，一種把兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸都設(shè)計(jì)在刀具的同一側(cè)，也就是通常所說(shuō)的兩軸旋轉(zhuǎn)主軸頭；第二種是把兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸分別設(shè)計(jì)在刀具的兩側(cè)；第三種是把兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)在工作臺(tái)的同一側(cè)，也可稱作為兩軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。

1.1 雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)

雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的主軸不會(huì)擺動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都是依靠雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)具體實(shí)現(xiàn)的。這種工作臺(tái)在運(yùn)行過(guò)程中可以旋轉(zhuǎn)360度，它的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際坐標(biāo)被看作是回轉(zhuǎn)的坐標(biāo)，而第二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)無(wú)法實(shí)現(xiàn)360度的旋轉(zhuǎn)，可以將其形象地叫作為擺動(dòng)坐標(biāo)，所以說(shuō)工作臺(tái)經(jīng)常也叫做旋轉(zhuǎn)／擺動(dòng)工作臺(tái)。雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)不存在具體的傾斜擺動(dòng)主軸頭，所以大大減少了整個(gè)控制系統(tǒng)的短時(shí)間內(nèi)的復(fù)雜運(yùn)算量。因此刀具的具體定位時(shí)也沒(méi)有必要去考慮他們之間的三角關(guān)系所導(dǎo)致的具體變化，在實(shí)際工作中，刀具的偏置量我們可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體的調(diào)整Z、Y、X三軸來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣就可以更加便捷和快速地計(jì)算出刀具路徑。這里需要指出的是，因?yàn)殡p旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)有著自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，比如其剛性與機(jī)構(gòu)因素等，極易導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)一些大型化以及承載能力都比較小的生產(chǎn)加工，所以比較適合一些相對(duì)比較小的機(jī)床，常見(jiàn)于一些中小型模具的生產(chǎn)和加工。

1.2 擺動(dòng)主軸頭加旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)

擺動(dòng)主軸頭加旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸依次分布在主軸與工作臺(tái)的兩側(cè)，主要是依據(jù)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和主軸頭的擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種模具大多用于一些中型的機(jī)床。它的配置分別在工作臺(tái)與主軸頭兩邊設(shè)計(jì)一組單軸式的旋轉(zhuǎn)軸。因?yàn)檫@種型式配置都是把旋轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)在工作臺(tái)與主軸兩側(cè)，所以如果與一些雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)進(jìn)行比較，它的優(yōu)點(diǎn)主要就是剛性相對(duì)較高，而且工作臺(tái)實(shí)際的承載能力也比較強(qiáng)。因?yàn)殡p旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)是一個(gè)機(jī)構(gòu)的串聯(lián)，因?yàn)榭臻g上有著相對(duì)的制約和限制，所以是很難設(shè)計(jì)出相對(duì)比較健壯的模式，因此就引發(fā)了整體的剛性欠佳，如果把旋轉(zhuǎn)軸涉及到工作臺(tái)和主軸頭的兩邊，就能夠大大提高結(jié)構(gòu)的剛性，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了承載能力和工作臺(tái)面積逐步增大的現(xiàn)象。

1.3 雙旋轉(zhuǎn)主軸頭的高速五軸機(jī)床

雙旋轉(zhuǎn)主軸頭五軸機(jī)床的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都是依據(jù)主軸進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，結(jié)合工作臺(tái)的移動(dòng)情況，通常都是分為兩種機(jī)型，其中一種就是把工作臺(tái)的移動(dòng)作Z、Y、X這3個(gè)具體坐標(biāo)中的多個(gè)或一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，第二種則是工作臺(tái)屬于固定的，主要是依靠Z、Y、X這三個(gè)直線的具體運(yùn)動(dòng)和A、B、C三軸的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)然后經(jīng)過(guò)主軸頭的運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。第二種型式最為常見(jiàn)，它的應(yīng)用相對(duì)要比第一種廣泛一些。第二種機(jī)床的主要特點(diǎn)就是工件始終不動(dòng)，5個(gè)坐標(biāo)的具體運(yùn)動(dòng)都是經(jīng)過(guò)主軸頭的具體擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的來(lái)一一完成的，它的主軸加工相對(duì)比較靈活，所以整個(gè)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)就相對(duì)比較大一些，比較適合一些加工具有不規(guī)則形面的汽車儀表盤、汽車覆蓋件等大型模具。這種機(jī)床還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是在具體使用具體的球頭銑刀加工一些曲面的過(guò)程中，當(dāng)?shù)毒叩闹行木€垂直了加工面的時(shí)候，此時(shí)球面的銑刀已經(jīng)避開(kāi)了定點(diǎn)的切削，所以就會(huì)保證一定的線速度，這樣一來(lái)就可大大提高整個(gè)表面的部件加工質(zhì)量。因?yàn)榫哂羞@一優(yōu)點(diǎn)，所以這種結(jié)構(gòu)是比較適合一些模具的高精度、復(fù)雜曲面的精細(xì)加工，因此在實(shí)際的加工生產(chǎn)過(guò)程中要比工作臺(tái)回轉(zhuǎn)式加工中心優(yōu)勢(shì)還要明顯。

2 高速五軸加工機(jī)床的技術(shù)

驅(qū)動(dòng)技術(shù)、控制技術(shù)和高速主軸是提高五軸加工中心動(dòng)態(tài)特性、加工精度和高速性能的關(guān)鍵。

2.1 直線電機(jī)

因?yàn)槟＞吆芏喽际侨S曲面，刀具在整個(gè)加工曲面的過(guò)程中，刀具軸是不斷進(jìn)行加速和制動(dòng)，所以只有采用相對(duì)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保證以平衡的每齒進(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。所以，機(jī)床的軸加速度在很大程度上影響到模具的刀具和加工精度的耐用度。

2.2 轉(zhuǎn)矩電機(jī)

在高速五軸加工中心上，主軸頭和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的擺動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，已經(jīng)被廣泛地使用在轉(zhuǎn)矩電機(jī)中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)矩電機(jī)屬于一種同步的電機(jī)，它的轉(zhuǎn)子是直接固定在所要驅(qū)動(dòng)的具體部件上，因此沒(méi)有具體的機(jī)械傳動(dòng)元件，它就會(huì)像直線電機(jī)一樣屬于直接驅(qū)動(dòng)的裝置。轉(zhuǎn)矩電機(jī)有著高伺服響應(yīng)、大扭矩輸出、無(wú)傳動(dòng)背隙、無(wú)接觸傳動(dòng)（無(wú)磨耗）等特點(diǎn)，所能達(dá)到的角加速度要比傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)高六倍，在擺動(dòng)主軸頭上加速度可達(dá)到三克。使用轉(zhuǎn)矩電機(jī)替代齒輪傳動(dòng)和蝸輪媚桿結(jié)構(gòu)可以將機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)提高了機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)負(fù)載剛性，這就會(huì)大幅度地提高了主軸頭和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能，進(jìn)而就會(huì)提高擺動(dòng)軸和回轉(zhuǎn)軸的重復(fù)定位精度和定位精度。

2.3 控制系統(tǒng)

五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)是五個(gè)具體的坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)合成，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的加入使得運(yùn)動(dòng)學(xué)比三軸機(jī)床要復(fù)雜很多，其插補(bǔ)運(yùn)算量也比較大，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的微小誤差直接導(dǎo)致了加工精度的下降。所以，要實(shí)現(xiàn)高速五軸加工，數(shù)控系統(tǒng)必須具有良好的伺服性能及高速控制能力，更高的運(yùn)算精度和速度，而且還需具備刀具中心點(diǎn)管理控制能力；實(shí)時(shí)的刀長(zhǎng)和刀徑自動(dòng)補(bǔ)償和機(jī)床幾何自動(dòng)補(bǔ)償功能；支持傾斜工作面和圓柱面加工。

3 結(jié)論

高速五軸加工作為一種先進(jìn)加工技術(shù)，在國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家的模具、汽車、航空航天等領(lǐng)域得到了相對(duì)比較普及的廣泛的應(yīng)用。隨著加工技術(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求逐步提高，模具的結(jié)構(gòu)會(huì)顯得越來(lái)越復(fù)雜，其更新周期越來(lái)越短，所以高速五軸聯(lián)動(dòng)加工在不久的將來(lái)，必將引領(lǐng)我國(guó)模具制造業(yè)的壯大發(fā)展。

[1]譚汝謀.加強(qiáng)多軸加工機(jī)床的研究與發(fā)展[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2009.

[2]張伯霖.高速切削技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]林清源，張恩生，龔宣任.線型工具機(jī)技術(shù)發(fā)展[J].機(jī)械工業(yè)雜志，2008(3)：91-98.

[4]張興全.高性能數(shù)控系統(tǒng)需具備的特點(diǎn)[J].機(jī)械工人，2007.