浅谈五轴立式加工中心的新发展

展品评述

浅谈五轴立式加工中心的新发展

大连科德数控股份有限公司 侯延星

第十五届中国国际机床展览会（CIMT217）于2017年4月17-22日在北京中国国际会展中心（新馆）举办。本届展会以“新需求·新供给·新动力”为展会主题，诠释了当前环境下机床工具产业面临的全新挑战和机遇。

装备制造业是一个国家建设的基石，机床是一个国家制造业水平的象征，而代表机床制造业最高境界的五轴联动数控机床，则反映了一个国家的工业发展水平状况。机床设备不但同国家航空工业、船舶制造、军工产业、科技技术、精密器械等设备制造行业有着非常大的关系，而且还与人们的日常生活等方方面面密不可分。

五轴联动数控机床对一个国家的航空航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等行业，有着举足轻重的影响力。长期以来，西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床作为重要的战略物资，对我国实行封锁禁运。进人二十一世纪，我国机床行业获得了突飞猛进的发展，现已成为世界第一机床制造国，但高档、大型、精密、高速数控机床以及数控系统依然依靠进口。我国要想成为制造业强国，就必须拥有自己的五轴数控机床技术。本文仅对五轴立

式加工中心谈谈自己的看法。

五轴形式：一般分为摆头式：包括（双摆头类和一摆一转类）（见图1）；摇篮式：双转工作台类（见图2）。

对于千变万化的五轴机床，从U G 或P O W E R M I L L 之类的编程软件的后处理的角度来看，只有三大类：

（1）双摆铣头类（UG称之为：5轴带双转头/5-AXIS with dual rotary heads）。

（2）一摆一转类（U G 称之为：5轴带转头和轮盘5-AXIS with rotary head and table）。

（3）双转工作台类（UG称之为：5轴带双轮盘/5-AXIS with dual rotary tables）。

摆头式由于工件只做C轴运动，甚至有些连C轴都由主轴箱旋转来完成，这种形式对于超大超重型零件加工有着不可替代的作用。但是必须配备断电保护功能，使机床在遭遇突然断电后能寻原路退至原点。否则在偏摆主轴打孔或攻丝时突然断电就只能呵呵了；摇篮式适用于轻型零件，主轴只作直线轴运动，所以结构更简单可靠，主轴刚性及精度也会更好。配上直线电机和力矩电机可做高速加工及铣车复合加工，在小型精密模具行业有着重要意义。

图1 摆头式图2 摇篮式

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一、摇篮式双摆台双五轴立式加工中心（两个

转动坐标直接控制空间的旋转）

典型代表1：德国哈默全功能

的5轴数控高性能C42U动态加工中心

产品特点：

（1）改良的龙门设计，系统地避免了传统龙门的缺陷。

（2）刀具3轴移动设计，动力不受工件限制，为快速移动和进给力（最大可达60m/min）提供了理想的先决条件。

（3）工作台模块构造，多功能床身具有多种可选配置。

（4）驱动与导轨在工作区域之外。

（5）Z轴带有电动机械快速急停，避免非受控掉落。

（6）复合设计，对空间要求不高。

（7）最优化的静态以及动态特征。

（8）高运行精度，定位精度，以及长期精度。

（9）加工过程高动态。（10）得益于动力版本中6m/s 2

或10m/s 2的高加速度，使得定位、启动时间短。

（11）Y滑轨移动，三个滑块在三个交叉排列的导轨上。

（12）三点支撑与中心驱动系统造就了卓越的导轨移动性。

（13）所有线性轴均使用滚珠导轨，造就了持续稳定的动态条件。

（14）带有的数码AC伺服马达和永久预紧力滚珠丝杆副性位置监控系统。

（15）永久定位监测。

（16）低养护率的自动中心润滑系统。

典型代表2：现代

威亚XF6300高端五轴机

产品特点：

（1）X/Z轴的新型箱中箱结构更是在最大程度上减小热变形。

（2）A/C轴采用伺服电机直驱

方式，可实现五轴联动加工，且工作台最大承重达600kg,显著扩大各类复杂零部件产品加工范围。

（3）创新的环形刀库设计更是显著降低切削对切削时间，可实现同级别设备最快4.5s的切削对切削时间，标准1层34把，可选2层68把，3层102把多样化刀具配置显著提高了适用加工范围。

（4）高精密电主轴标配15000r/min，可选最大40000r/min，尤其在高精密产品加工中表现出优秀加工品质。

（5）标配的激光方式的刀具在线监测更是能保证高精密加工特性。1000段程序预读功能及8CH的热变形补偿装置等综合模具包选项，更是能保证高端零部件产品精密度要求。

典型代表3：大连光洋

KMC1250UMT五轴立式加工中心

产品特点：

（1）采用的改良龙门框架结构设计，采用人造大理石材料床身，与铸铁床身相比具有极佳的抑振性和抗热变形性能。

（2）机床联动轴数为5,刀具3轴移动设计，采用高性能伺服驱动电机直联滚珠丝杠传动，动态性能不

受工件限制，实现高动态特性、高效率加工。

（3）工作台摆动而主轴不摆动，因而主轴不受摆动影响，刚性

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好。刀具长度不影响摆臂长度，不影响摆动误差。

（4）y轴采用四导轨支撑和重心驱动方式。自动拾取式环形刀库与床身融为一体，结构紧凑节省空间，拾取式换刀速度更快（屑对屑时间为5s)。

（5）数控回转摆动工作台实现双臂支撑和单/双驱动，实现C轴连续360°旋转并支持高速车铣功能，A 轴± 130°摆动。

（6）机床采用通用性设计，兼容3 ~5轴机床扩展功能，4轴可选单/双驱控制，C轴可选铣削/铣车功能，x/y/z轴支持半闭环/全闭环控制，三种规格车铣复合电主轴，多种机床配置形式可满足不同用户的加工要求。

（7）同时机床作业空间大，干涉范围小，切削刚度强，动态性能高、安装空间紧凑。具有3维切削仿真和3维防碰撞功能，机床MTBF达到1500h。

（8）科德数控自主研发的KMC1250U五轴铣车复合立式加工中心采用模块化设计概念，具有更大的作业空间，更小的干涉，更强的切削刚度，更高的速度、精度和更紧凑的安装空间，是目前亚洲最大的摇篮

式双摆台双五轴立式加工中心。

典型代表4：台湾永进

二、俯垂型双摆台立

式加工中心（两个坐标轴

在工作台上，但旋转轴不

与直线轴垂直）

典型代表：D800Z

目前，国内五轴加工越来越普遍，这种通过倾斜接触工件、缩短刀具夹持距离的加工方式，不但实现了高精度，而且无需二次夹装即可从各个方向加工复杂工件的技术，大大缩短了加工时间，在这些优势下，以前设法用三轴加工的工件现已越来越多地转移到五轴上加工。

1．出色的精度

D 800Z 无关负载（可达1,200kg），其第4轴和第5轴整体式直驱马达和高刚性的机床支撑结构都能够提供敏捷、平滑的运动，确保出色的精度。此外，牧野对机床的热稳定性非常重视，通过轴芯冷却滚珠丝杠，直驱马达温度控制等，保证机床提供持久的精度。

2．可靠的刚度

设计独特的“Z ”形摇篮式可倾转工作台（不是传统的悬臂梁设计），确保了工作台和工件的重心总是落在B轴和C轴的旋转中心，而不受倾斜角度的任何影响。工作台是由一个大直径的十字交叉滚柱轴承来支撑，与传统的悬臂工作台相比，具有更小的偏摆，能够提供更卓越的硬度和刚度。

3．高速度

D 800Z 有两种主轴规格D800Z(#40)和D800Z(#50)，可以组合出四种不同的主轴配置：标配14,000r/min (HSK-A63)，可选配 20,000 r/min (HSK-A63)、 12,000 r/min (HSK-A100)或18,000 r/min (HSK-A100)。每个主轴牧野都确保无振动加工，这种广泛的主轴选择让D800Z可以定制，以满足精密零件、模具和航空航天领域的不同应用。快速进给方面，X、Y、Z轴均为36,000 mm/min，B和C轴为18,000°/min(50r/min)。

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（D300和D500）的D800Z五轴立式加工中心，是在D500获得市场认可的成功基础上研发并推出的，重点追求精度、刚度和速度优异的性能，专为精密零件、模具和航空航天领域应用。同D300和D500一样，D800Z也可轻松接近主轴和工作台操作；具有高刚性的结构；快速响应切削；高质