臥式五軸加工中心結(jié)構(gòu)分析及發(fā)展趨勢

張傳思

（科德數(shù)控股份有限公司沈陽分公司，沈陽 110041）

0 引言

臥式五軸加工中心作為航空航天、軍工、船舶等領(lǐng)域零件的加工利器，能在一次裝夾中完成工件的多面、多序的復(fù)合加工，大大提高了零件的加工精度，提升了零件的加工效率。

國外臥式五軸加工中心制造企業(yè)較多，技術(shù)也相對成熟，典型的企業(yè)如斯特拉格集團(tuán)、MCM、法孚集團(tuán)等。國內(nèi)伴隨著傳統(tǒng)老牌企業(yè)相繼改制的同時(shí)，很多民營機(jī)床企業(yè)迅速發(fā)展，規(guī)模不斷壯大，加工中心生產(chǎn)廠家越來越多，其中臥式五軸加工中心的典型廠家有科德數(shù)控、寧江機(jī)床、沈陽機(jī)床等。

根據(jù)加工對象及技術(shù)特點(diǎn)，臥式五軸加工中心典型的結(jié)構(gòu)型式有擺頭與轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)合型、搖籃式結(jié)構(gòu)型和雙擺頭結(jié)構(gòu)型（翻板）。

1 典型結(jié)構(gòu)分析

1.1 擺頭與轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)合式臥式五軸加工中心

擺頭與轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)合的臥式五軸加工中心[1]，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸分開，擺頭部分夾持刀具主軸，轉(zhuǎn)臺(tái)部分裝載工件。通常結(jié)構(gòu)形式為擺頭上下運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)前后或左右水平運(yùn)動(dòng)，與X、Y、Z軸形成五軸聯(lián)動(dòng)加工。此種結(jié)構(gòu)形式，擺頭懸伸較長，導(dǎo)致刀具末端剛性較差，但工作臺(tái)承載較大，通常用來加工機(jī)匣類等尺寸大、質(zhì)量大等的回轉(zhuǎn)體零件。

1）前后動(dòng)工作臺(tái)，左右動(dòng)滑鞍。該結(jié)構(gòu)的典型廠家如科德數(shù)控的KHMC系列產(chǎn)品，采用先進(jìn)的平臺(tái)化開發(fā)設(shè)計(jì)理念，左右動(dòng)大滑板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)X軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，上下動(dòng)主軸箱雙驅(qū)無配重實(shí)現(xiàn)Y軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，前后動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)Z軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；A軸擺頭與B軸轉(zhuǎn)臺(tái)均為力矩電動(dòng)機(jī)直驅(qū)，具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，如圖1所示。

圖1 KHMC系列

又如沈陽機(jī)床的HMC60u臥式五軸加工中心，主要應(yīng)用于鋁合金的高速、高效加工。機(jī)床為T字型正掛箱布局，橫床身與縱床身垂直放置，滑板連同單擺銑頭沿立柱上下方向移動(dòng)（X軸），搖籃式工作臺(tái)在橫床身上左右移動(dòng)（Y軸），立柱在縱床身上前后移動(dòng)（Z軸），水平擺動(dòng)的單擺銑頭（A軸）與搖籃式翻板工作臺(tái)（B軸），具有五軸聯(lián)動(dòng)功能的同時(shí)構(gòu)成臥式小翻板加工中心結(jié)構(gòu)，提高加工效率的同時(shí)，大大改善了機(jī)床的排屑效果。機(jī)床各項(xiàng)導(dǎo)軌副均為滾柱直線導(dǎo)軌，摩擦力小，快速響應(yīng)好，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性高。機(jī)床配有兩個(gè)工作臺(tái)自動(dòng)交換站，實(shí)現(xiàn)裝卸工件時(shí)機(jī)床不停機(jī)，為用戶節(jié)省加工輔助時(shí)間。機(jī)床還配有自動(dòng)裝夾并精準(zhǔn)定位的零點(diǎn)定位系統(tǒng)，解決鋁合金加工領(lǐng)域薄壁零件加工變形的真空吸附系統(tǒng)，刀庫墻與關(guān)節(jié)機(jī)器人組成的刀庫系統(tǒng)，使機(jī)床更加環(huán)保的油霧回收系統(tǒng)，為用戶從單機(jī)制造向自動(dòng)化生產(chǎn)線的升級(jí)做好準(zhǔn)備。

2）左右動(dòng)工作臺(tái)，前后動(dòng)立柱[2]。該結(jié)構(gòu)典型的廠家如斯特拉格的STC1250，如圖2所示。該產(chǎn)品具有優(yōu)良的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，加工空間較大，但前后動(dòng)立柱，運(yùn)動(dòng)部件較重。主機(jī)采用了熱對稱設(shè)計(jì)，封閉焊接設(shè)計(jì)元素。主機(jī)可以配置托盤交換系統(tǒng)。

圖2 STC1250

3）前后動(dòng)工作臺(tái)，左右動(dòng)立柱。該結(jié)構(gòu)典型的廠家如MCM的Tank 5AX_TH_1300，采用階梯式整體床身，左右動(dòng)立柱，上下動(dòng)擺頭，前后動(dòng)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)與前后動(dòng)立柱結(jié)構(gòu)相比，立柱及擺頭運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對輕些，加工范圍也相對減少，如圖3所示。

圖3 Tank 5AX_TH_1300

1.2 搖籃式臥式五軸加工中心

搖籃式臥式五軸加工中心，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸集中在一起，形成A軸與B軸，搖籃結(jié)構(gòu)前后或左右運(yùn)動(dòng)，形成Z軸或X軸。該種結(jié)構(gòu)形式的主軸水平不需擺動(dòng)，所以剛性較好，但由于搖籃擺動(dòng)，擺角超過45°時(shí)負(fù)載較大，所以工作臺(tái)承載相對較小。

1）左右動(dòng)搖籃，前后動(dòng)立柱。該結(jié)構(gòu)如科德數(shù)控的HMC80U（如圖4），為前后動(dòng)柱式，左右動(dòng)搖籃式。加工范圍大，干涉小，兼顧高剛性和高精度。機(jī)床鑄件采用的是高強(qiáng)度鑄鐵，并經(jīng)過二次時(shí)效處理，消除內(nèi)應(yīng)力。整體結(jié)構(gòu)采用倒T 型動(dòng)柱式結(jié)構(gòu)，剛性好，穩(wěn)定性好。X/Y/Z 三軸均采用全支撐寬軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用高剛度機(jī)械主軸，可配置兩擋ZF變速箱獲得更大的切削轉(zhuǎn)矩，滿足低速大轉(zhuǎn)矩、重切削加工需求。最高轉(zhuǎn)速可達(dá)10 000 r/min，BBT50接口，具有良好的綜合性能。機(jī)床A/B轉(zhuǎn)臺(tái)采用力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，A軸采用雙端支撐，整體結(jié)構(gòu)緊湊、輸出轉(zhuǎn)矩大，精度高?？蛇x擇夾具用轉(zhuǎn)臺(tái)中心油路、工作臺(tái)面定制化配置。主要應(yīng)用航空航天、汽車行業(yè)中的箱體類、回轉(zhuǎn)體類零件的五軸聯(lián)動(dòng)或五面加工。

圖4 HMC80 U

2）前后動(dòng)搖籃，左右動(dòng)立柱。該結(jié)構(gòu)如Starrag AG旗下海科特公司的Heckert X45（如圖5）。該機(jī)床設(shè)計(jì)緊湊，工作空間大，占地面積小。搖籃式正T型結(jié)構(gòu)臥式五軸加工中心，配置前工位，節(jié)省上下料時(shí)間。熱對稱設(shè)計(jì)，高剛性，搖籃兩側(cè)安裝驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)保證加工精度的核心要素；通過縮短換刀時(shí)間、托盤交換時(shí)間和B軸定位時(shí)間，提高切削速度等一系列方法去降低非加工時(shí)間，從而提高生產(chǎn)效率。機(jī)床采用了經(jīng)典的模塊化設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展為自動(dòng)化附加功能，即單機(jī)或多機(jī)自動(dòng)化功能。

圖5 Heckert X45

國內(nèi)的如寧江機(jī)床的THM6363Ⅳ（如圖6）。該機(jī)床采用精密坐標(biāo)鏜床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，床身采用整體式正T型結(jié)構(gòu)，立柱采用整體框式結(jié)構(gòu)，X軸左右移動(dòng)，工作臺(tái)為Z軸前后移動(dòng)，主軸箱為Y軸上下移動(dòng)，可傾轉(zhuǎn)臺(tái)的A/B軸均采用高精度圓柱滾子軸承，采用力矩電動(dòng)機(jī)直驅(qū)。機(jī)床配置電主軸，軸承采用油氣潤滑，實(shí)現(xiàn)免維護(hù)；主軸集成外循環(huán)強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，可保證機(jī)床24 h連續(xù)穩(wěn)定工作。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、A、B五軸控制，廣泛應(yīng)用于高精度箱體及空間復(fù)雜型面等零件的加工。

圖6 THM6363Ⅳ

3）上下動(dòng)搖籃，前后動(dòng)滑枕結(jié)構(gòu)。該典型結(jié)構(gòu)如GROB的G150五軸聯(lián)動(dòng)通用加工中心（如圖7），其主軸隨滑枕前后移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)同級(jí)別機(jī)床中Z軸的最大行程及最佳的排屑效果。單臂搖籃上下移動(dòng)形成Y軸。左右動(dòng)滑鞍實(shí)現(xiàn)X軸。A/B軸力矩電動(dòng)機(jī)直驅(qū)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、無磨損的工件加工。3個(gè)直線軸的獨(dú)特布局將導(dǎo)軌與工作點(diǎn)（TCP）之間的距離降至最小，使機(jī)床具有極大的穩(wěn)定性。獨(dú)特的軸布局可實(shí)現(xiàn)A軸方向上230°的超大擺動(dòng)幅度?！八淼馈备拍钍沟迷谟米铋L刀具時(shí)，機(jī)床各旋轉(zhuǎn)軸都不受任何限制，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)最大工件的加工。

圖7 G150

1.3 雙擺頭結(jié)構(gòu)臥式五軸加工中心

該結(jié)構(gòu)型式也叫臥式翻板加工中心，主要用來加工航空結(jié)構(gòu)件，如框架、肋片、隔板、翼板等。典型結(jié)構(gòu)型式為雙擺頭，主要有A/B擺頭、A/C擺頭、并聯(lián)頭型式。擺頭隨滑枕進(jìn)行Z軸前后移動(dòng)，Y軸上下運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)立式布置并進(jìn)行左右移動(dòng)形成X軸，也有工作臺(tái)固定，滑鞍左右移動(dòng)為X軸的型式，工作臺(tái)立式便于排屑，電主軸多為大功率、高轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件90%以上金屬去除率的需求。

1）A/B 擺頭型式。該典型結(jié)構(gòu)如科德數(shù)控的KFMC2040 U，獨(dú)創(chuàng)的A/B擺頭型式臥式五軸翻板加工中心，采用連桿驅(qū)動(dòng)的B軸，力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的A軸，具有旋轉(zhuǎn)中心距刀尖點(diǎn)距離小、響應(yīng)快的特點(diǎn)，同時(shí)科德應(yīng)用了自主研制的120 kW、30 000 r/min的電主軸，直線軸加速度最高可達(dá)1g，大容積排屑器設(shè)計(jì)，滿足航空結(jié)構(gòu)件大去除率的排屑需求。采用科德自主研發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，具有智能誤差補(bǔ)償和在線檢測功能。配備翻板式雙托盤交換系統(tǒng)，水平上下料，垂直自動(dòng)交換工作臺(tái)，可大大降低輔助時(shí)間，提升機(jī)床加工效率，配置大容量自動(dòng)換刀裝置，滿足多工序、多特征的加工需求，如圖8所示。2）A/C擺頭型式。此種結(jié)構(gòu)型式較多，也可理解為龍門加工中心旋轉(zhuǎn)90°的布置方式，A/C擺頭隨滑枕Z向運(yùn)動(dòng)，有動(dòng)工作臺(tái)的型式，也有固定工作臺(tái)的型式。圖9所示為法孚集團(tuán)的Fives Forest-Liné Aerostar[3]。齒輪或力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)A/C擺頭，X、Y、Z 軸 由直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，智能旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)裝載站，高柔性機(jī)床配置，單機(jī)設(shè)備或柔性生產(chǎn)線。

圖8 KFMC2040 U

圖9 Fives Forest-Liné Aerostar

3）并聯(lián)頭型式。該結(jié)構(gòu)應(yīng)用較成熟的只有斯特拉格的Ecospeed系列[4]（如圖10）。也是目前加工航空結(jié)構(gòu)件效率最高的加工中心。Sprint Z3并聯(lián)床頭是其獨(dú)特的特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、剛性高，其直線軸速度可達(dá)50 m/min，加速度可達(dá)1g，電主軸的功率為120 kW，主軸轉(zhuǎn)速也高達(dá)30 000 r/min。3個(gè)平行的直線軸沿徑向均布在筒形主軸箱內(nèi)，同步運(yùn)動(dòng)形成Z軸。主軸頭通過一端帶有球軸承的剛性連桿與每個(gè)驅(qū)動(dòng)連接起來。主軸箱水平安裝在立柱上，并沿立柱上下移動(dòng)形成Y軸。該設(shè)計(jì)具有最小運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，保證機(jī)床具有更好的動(dòng)態(tài)特性。工作臺(tái)左右運(yùn)動(dòng)形成X軸。當(dāng)3個(gè)直線軸同時(shí)等量運(yùn)動(dòng)時(shí)，主軸頭可在±40°的圓錐范圍內(nèi)任意擺動(dòng)。通過X、Y和Z軸的直線運(yùn)動(dòng) 形 成±40°的圓錐形工作空間。該產(chǎn)品已成功應(yīng)用于多家航空結(jié)構(gòu)件廠家組線加工。

圖10 Ecospeed系列

2 發(fā)展趨勢

縱觀國內(nèi)外臥式五軸加工中心現(xiàn)狀，未來機(jī)床的發(fā)展趨勢將圍繞著高效化、智能化、綠色化的趨勢方向發(fā)展。

1）高效化。主機(jī)結(jié)構(gòu)方面：伺服軸不斷提升運(yùn)動(dòng)速度、加速度，直線軸采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)軸采用直驅(qū)控制方式越來越多，大功率電主軸應(yīng)用，縮短機(jī)械手換刀時(shí)間，配置交換工作臺(tái)，減少加工輔助時(shí)間等。控制系統(tǒng)方面：優(yōu)化控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)控軸的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)。刀具方面：復(fù)合材料刀具、成型刀具的應(yīng)用等。

2）智能化。多傳感器融合技術(shù)的應(yīng)用使得數(shù)控機(jī)床越來越智能。刀具在線檢測、工件在線測量、誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償技術(shù)等的應(yīng)用，滿足零件的高效、高精加工。工業(yè)物聯(lián)、云計(jì)算都將助力機(jī)床及企業(yè)的智能化發(fā)展。FMC、FMS的應(yīng)用越來越多。

3）綠色化。設(shè)計(jì)的綠色化：采用復(fù)合材料、碳纖維、陶瓷、花崗巖等，減輕運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量的同時(shí)，大大地節(jié)約了能源。加工的綠色化：優(yōu)化工藝參數(shù)，采用特殊材料的刀具，少用切削液或采用最小量潤滑加工技術(shù)、干式切削等。

3 結(jié)語

本文分析了國內(nèi)外臥式五軸加工中心的典型結(jié)構(gòu)，介紹了典型結(jié)構(gòu)的相關(guān)產(chǎn)品，并對該類產(chǎn)品的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析，可以看到國產(chǎn)臥式五軸加工中心產(chǎn)品越來越多，主要以搖籃式居多，擺頭與轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)合的產(chǎn)品較少，也充分證明了國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床及功能部件得到了一定的發(fā)展，但是如何保證機(jī)床的可靠性、穩(wěn)定性，如何提升基礎(chǔ)共性技術(shù)問題等，仍是國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床應(yīng)該改善提升的。希望國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在客戶的不斷示范應(yīng)用中，能夠不斷地提升自身產(chǎn)品的質(zhì)量水平，實(shí)現(xiàn)真正意義的替代進(jìn)口產(chǎn)品。