橋式五軸聯動龍門加工中心及五軸聯動銑頭的應用

■ 漢川數控機床股份公司 （陜西漢中 723003） 念 勇 張海亮 苗 寧 伏艷梅

1. 橋式五軸聯動龍門加工中心

該機床為六軸五聯動龍門式數控機床，如圖1所示，機床整體布局采用高架橋式結構，使重型機床的3個主運動部件都處于質量最輕、驅動力最小和動態(tài)伺服響應更快的有利條件。承載橫梁運動的床身及大型工件的落地式工作臺結合為一體，不但整體結構緊湊、空間利用率高，而且利于機床的剛性、精度的提高和安裝、運輸的便利。大跨距橫梁的導向支撐采用雙邊單根高強度導軌配置多滑塊設計，避免了大行程運動導向部件的過定位及基礎大件的高精度加工要求。用于大行程驅動的齒輪、齒條消隙齒輪箱傳動技術，使最小化理論行程在機械結構運動上都能得到實現。利用數控系統(tǒng)的雙驅動雙反饋“龍門軸”功能，解決了大跨距橋式龍門雙邊驅動滿足高精度定位及伺服響應的同步性難題。配置高精度的五軸聯動銑頭，解決了大型工件在空間曲線及復雜曲面的加工難題。主軸采用高速雙擺頭，可實現五軸聯動下的高性能銑削和高速精加工。主軸轉速高、精度高且精度保持性好，油、汽潤滑，強制循環(huán)冷卻。

機床采用工作臺固定、橫梁在兩個高架床身上前后移動的結構。工作臺床身直接固定在地基上，主軸箱、橫梁等與龍門框聯為整體，整體框架在工作臺兩側的床身上運動。電柜、液壓站等固定在橫梁頂面上，局域防護，自動排屑。工作臺兩側各安置1床身。每個床身上安裝1條進口高精度機床專用直線滾動導軌和齒輪齒條傳動，更適合高速進給和超大、超重零件的加工。機床在設計過程中采用先進的設計理念，利用有限元法進行力學分析，合理布筋，合理分布質量，使機床整體剛性強，靜態(tài)精度和動態(tài)性能穩(wěn)定可靠。機床模塊化程度高，零部件通用性強，全閉環(huán)控制，性能優(yōu)良。

2. 五軸聯動銑頭

圖1 HBMC1540F5橋式五軸聯動龍門加工中心

五軸聯動銑頭（見圖2）主軸前端是一個回轉頭，能自行圍繞Z軸旋轉360°，稱為C軸，回轉頭上還帶有可環(huán)繞X軸旋轉的A軸，一般可達±90°以上，采用叉形擺動結構，A、C軸全閉環(huán)伺服控制。銑頭殼體采用優(yōu)質、高剛性球墨鑄鐵，保證了大轉矩切削和精度穩(wěn)定性。配置高速精密主軸，主軸具有刀具內冷、外冷功能。能實現軸承溫度在線檢測與補償，利用系統(tǒng)RTCP補償功能，無需后置處理，真正實現五軸刀具路徑控制和簡化編程功能。A、C軸通過高精密消隙齒輪結構實現精密傳動，由交流伺服電動機驅動，實現五軸連續(xù)插補加工。選用高分辨角度編碼器，完成A、C軸全閉環(huán)定位控制。采用高性能液壓夾緊裝置，保證A、C軸在任意孔距位置的可靠鎖定。性能可靠、調試維護保養(yǎng)容易，滿足了高速、精密五軸聯動插補加工要求。

由于是由銑頭執(zhí)行兩個回轉運動，回轉部件體積相對較小，工作臺可以較大，因此加工范圍大、加工空間大。工件1次裝夾不僅可以完成五面體的加工，還可以對復雜的空間曲面進行高精度的加工，更能夠適合越來越復雜的高檔、先進模具的加工以及汽車零部件、飛機結構件等精密復雜零件的加工。目前，該銑頭廣泛應用于各類龍門式、橋式、臥式和立式等數控加工中心的功能拓展和產品技術升級以及車銑復合等多功能復合機床。主要用于航空航天、發(fā)電、船舶及軍工等我國重點產業(yè)建設領域。

3. 五軸聯動加工的特點

五軸聯動加工是指在1臺機床上至少有5個坐標軸（3個直線坐標和2個旋轉坐標）可在計算機數控（CNC）系統(tǒng)的控制下同時協調運動進行加工。工件1次裝夾即可完成五面體的加工，還可以對復雜的空間曲面進行高精度加工。以立式五軸聯動銑頭為例，主軸前端是一個回轉頭，為C軸，回轉頭上可環(huán)繞X軸旋轉的A軸，可實現五軸聯動加工的功能。這種設計的優(yōu)點是主軸加工非常靈活，工作臺也可以設計得非常大，客機龐大的機身、巨大的發(fā)動機殼都可以在這類加工中心上加工。這種設計最大的優(yōu)點，也是五軸加工相對于三軸、四軸加工最顯著的特點，在使用球面銑刀加工曲面時，當刀具中心線垂直于加工面時，三軸、四軸加工由于球面銑刀的頂點線速度為0，頂點切出的工件表面質量會很差，而采用主軸回轉的設計，令主軸相對工件轉過一個角度，使球面銑刀避開頂點切削，保證加工時有一定的線速度，就可以得到很好的表面粗糙度值，提高表面加工質量。HGM2560F5五軸聯動龍門式數控銑床加工現場如圖3所示。

圖3 HGM2560F5五軸聯動龍門式數控銑床加工現場

4. 結語

橋式五軸聯動龍門加工中心主要應用于汽車工業(yè)中的模具制造、原型制造、大型鋼模和鑄鐵模具的制造以及航空航天工業(yè)中的復雜零件加工、鋁及其合金加工和難加工材料的加工。零件1次裝夾后，即能完成多種工序的五面加工和多種空間方向的銑削加工，還可以對復雜的空間曲面進行高精度加工。是加工要求較高、形狀復雜零件和模具行業(yè)、航空航天工業(yè)等行業(yè)的理想設備。

[1] 李樹明，高東強．數控機床加工編程技術[M]．陜西：陜西人民出版社，2002．