淺析模具的典型結構應用及特點

黃 濱，廖家賢，李 安

沈陽機床股份有限公司沈一車床廠，遼寧 沈陽 110142

傳統的模具加工，通常都是選用三軸立式加工中心完成，在此過程之中，會伴隨著很多的人工來實現具體的修整工作。如果選用五軸加工模具，因為刀具和工件位置與角度都可以靈活地進行調整，從而避免了加工過程的刀具干涉，任何一個裝夾能完成所有不規則形狀零件的加工處理，不但縮短了加工的周期，同時也大大提升了生產的效益，進一步優化和提高的加工器件的精準度。

1 高速五軸的結構特點

五軸加工模具通常都是根據其旋轉軸構成的不同型式，劃分為3種，一種把兩個旋轉軸都設計在刀具的同一側，也就是通常所說的兩軸旋轉主軸頭；第二種是把兩個旋轉軸分別設計在刀具的兩側；第三種是把兩個旋轉軸設計在工作臺的同一側，也可稱作為兩軸旋轉工作臺。

1.1 雙旋轉工作臺

雙旋轉工作臺的主軸不會擺動，旋轉運動都是依靠雙旋轉工作臺具體實現的。這種工作臺在運行過程中可以旋轉360度，它的回轉運動的實際坐標被看作是回轉的坐標，而第二個旋轉運動的坐標無法實現360度的旋轉，可以將其形象地叫作為擺動坐標，所以說工作臺經常也叫做旋轉／擺動工作臺。雙旋轉工作臺不存在具體的傾斜擺動主軸頭，所以大大減少了整個控制系統的短時間內的復雜運算量。因此刀具的具體定位時也沒有必要去考慮他們之間的三角關系所導致的具體變化，在實際工作中，刀具的偏置量我們可以根據實際情況進行具體的調整Z、Y、X三軸來實現，這樣就可以更加便捷和快速地計算出刀具路徑。這里需要指出的是，因為雙旋轉工作臺有著自身的結構特點，比如其剛性與機構因素等，極易導致難以實現一些大型化以及承載能力都比較小的生產加工，所以比較適合一些相對比較小的機床，常見于一些中小型模具的生產和加工。

1.2 擺動主軸頭加旋轉工作臺

擺動主軸頭加旋轉工作臺的兩個旋轉坐標軸依次分布在主軸與工作臺的兩側，主要是依據旋轉工作臺和主軸頭的擺動來實現的，這種模具大多用于一些中型的機床。它的配置分別在工作臺與主軸頭兩邊設計一組單軸式的旋轉軸。因為這種型式配置都是把旋轉軸設計在工作臺與主軸兩側，所以如果與一些雙旋轉工作臺進行比較，它的優點主要就是剛性相對較高，而且工作臺實際的承載能力也比較強。因為雙旋轉工作臺是一個機構的串聯，因為空間上有著相對的制約和限制，所以是很難設計出相對比較健壯的模式，因此就引發了整體的剛性欠佳，如果把旋轉軸涉及到工作臺和主軸頭的兩邊，就能夠大大提高結構的剛性，同時也實現了承載能力和工作臺面積逐步增大的現象。

1.3 雙旋轉主軸頭的高速五軸機床

雙旋轉主軸頭五軸機床的旋轉運動都是依據主軸進行實現的，結合工作臺的移動情況，通常都是分為兩種機型，其中一種就是把工作臺的移動作Z、Y、X這3個具體坐標中的多個或一個直線運動，第二種則是工作臺屬于固定的，主要是依靠Z、Y、X這三個直線的具體運動和A、B、C三軸的實際轉動然后經過主軸頭的運轉來實現的。第二種型式最為常見，它的應用相對要比第一種廣泛一些。第二種機床的主要特點就是工件始終不動，5個坐標的具體運動都是經過主軸頭的具體擺動和轉動的來一一完成的，它的主軸加工相對比較靈活，所以整個工作臺的設計就相對比較大一些，比較適合一些加工具有不規則形面的汽車儀表盤、汽車覆蓋件等大型模具。這種機床還有一個優點，那就是在具體使用具體的球頭銑刀加工一些曲面的過程中，當刀具的中心線垂直了加工面的時候，此時球面的銑刀已經避開了定點的切削，所以就會保證一定的線速度，這樣一來就可大大提高整個表面的部件加工質量。因為具有這一優點，所以這種結構是比較適合一些模具的高精度、復雜曲面的精細加工，因此在實際的加工生產過程中要比工作臺回轉式加工中心優勢還要明顯。

2 高速五軸加工機床的技術

驅動技術、控制技術和高速主軸是提高五軸加工中心動態特性、加工精度和高速性能的關鍵。

2.1 直線電機

因為模具很多都是三維曲面，刀具在整個加工曲面的過程中，刀具軸是不斷進行加速和制動，所以只有采用相對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。所以，機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 轉矩電機

在高速五軸加工中心上，主軸頭和回轉工作臺的擺動與回轉運動，已經被廣泛地使用在轉矩電機中進行實現的。轉矩電機屬于一種同步的電機，它的轉子是直接固定在所要驅動的具體部件上，因此沒有具體的機械傳動元件，它就會像直線電機一樣屬于直接驅動的裝置。轉矩電機有著高伺服響應、大扭矩輸出、無傳動背隙、無接觸傳動（無磨耗）等特點，所能達到的角加速度要比傳統的蝸輪蝸桿傳動高六倍，在擺動主軸頭上加速度可達到三克。使用轉矩電機替代齒輪傳動和蝸輪媚桿結構可以將機構進行簡化，同時提高了機構的動態和靜態負載剛性，這就會大幅度地提高了主軸頭和旋轉工作臺的動態性能，進而就會提高擺動軸和回轉軸的重復定位精度和定位精度。

2.3 控制系統

五軸機床的運動是五個具體的坐標軸運動合成，旋轉坐標的加入使得運動學比三軸機床要復雜很多，其插補運算量也比較大，旋轉坐標的微小誤差直接導致了加工精度的下降。所以，要實現高速五軸加工，數控系統必須具有良好的伺服性能及高速控制能力，更高的運算精度和速度，而且還需具備刀具中心點管理控制能力；實時的刀長和刀徑自動補償和機床幾何自動補償功能；支持傾斜工作面和圓柱面加工。

3 結論

高速五軸加工作為一種先進加工技術，在國外一些發達國家的模具、汽車、航空航天等領域得到了相對比較普及的廣泛的應用。隨著加工技術對產品質量要求逐步提高，模具的結構會顯得越來越復雜，其更新周期越來越短，所以高速五軸聯動加工在不久的將來，必將引領我國模具制造業的壯大發展。

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