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从CIMT2011看五轴联动加工中心的发展趋势
2011-9-28  来源:《数控机床市场》杂志  作者:北京机电院机床有限公司 李亚红 贾希

     CIMT2011中国国际机床展览会于2011年4月16日在北京新展馆落下帷幕。此次展会汇集了全球28个国家和地区约1400家知名机床工具制造厂商,其中境内展商740多家,境外展商约650家,国际知名顶级机床工具企业全部参展。CIMT2011展出面积达12万平米,为历届最大规模,也是中国境内同类展会之最。

    本届展会展品的特点是:突出智能功能,倡导低碳和绿色制造方式,柔性、复合、五轴联动、高精、高速化仍然是数控机床的发展主流,自动化水平高,机床向安全、宜人化深度发展。其中,国产机床具有精度高、新产品多、节能减排和智能制造等诸多特点。

    众所周知,高速高精与多轴联动是现代制造业发展的潮流。本届展会具有五轴联动功能的机床展品有80余台套,众多国际知名厂家都带来展品。如HAMUEL、HERMLE、DMG、LIECHTI、米克朗、MAKINO、森精机等,台湾的崴立、麗驰和友佳公司都带来五轴联动机床展出,国内的沈阳集团、大连 、南通、北京机电院等也都展出了他们的五轴联动加工中心。

    此次展会展出的五轴联动加工中心结构形式多种多样,从功能上讲除了叶片式、叶轮式及龙门式加工中心外,五轴机床不再仅展示曲面加工,还有不少是展示一次装夹,多面高效加工的功能。这是本次展会五轴机床最突出的亮点,也是五轴机床的发展趋势,更是全面解决方案服务理念的具体体现。

    瑞士GF 阿奇夏米尔集团展出的HPM 800U五轴加工中心(见图1)最为突出。该机床属于高效铣削领域中的最新一代产品。机床是专为生产高精密复杂零件而设计的。HPM 800U机床结构设计得极为紧凑。它表现稳定且动力出众,三个轴夹紧装置所提供的高稳定性提高了刀具的寿命。它具有最先进的电主轴、直接驱动的回转和摆动轴以及坚固的机床结构,可支持用现代化的刀具进行经济且精确的镗铣加工。尤为突出的是:它对第四轴和第五轴的直接驱动使其在加工500kg的工件时回转轴和摆动轴有充足的动能。另外,HPM 800U无以伦比的灵活性和可接近性得到了使用者的广泛好评。它具有四种不同类型的工作台,可使小型工件在完全联动的回转摆动工作台上手动轻松装载,并可以从后面进行托盘交换。机床主要参数:行程(X x Y x Z):850 x 800 x 550 mm ,摆动轴:+91° / -121°,回转轴:n x 360,联动轴数: 5轴5联动,工作主轴:20000 min-1, HSK-A63 [kW / Nm] 39 / 84,快速移动:45m/min,工作台面:500 x 630 mm,最大承重:800kg,刀库容量:60把。HPM 800U应用广泛,在汽车工业中,它可应用于合金工具钢的曲轴锻模。在航空工业中,对于涡轮及压缩机托盘等耐高温钢材,HPM 800U以高稳定和精确性,高表面质量以及完全的过程连贯性而表现卓越。在电力行业中,它尤为适合加工镍材质的叶轮。

    DMG的新机床DMU 60 eVo(见图2)也是一次装夹多面加工的典范。该机采用独特的设计方案,将万能铣床和立式加工中心的性能完美地结合,满足一次装夹五面加工、五轴定位加工和五轴联动轮廓加工的要求。 该机采用了动梁式龙门结构,X、Y、Z轴均置于加工空间之外、之上,直线轴(X、Y和Z轴)的行程为600×500×500mm。B轴和C轴采用转速高达60rpm、摆动范围为+5°/ -110°的快速数控摆动分度工作台。工作台的直径为630mm,负载能力为400kg。旋转轴的力矩电机驱动提高了机床的稳定性和动态性能。新的设计方案不但减少了占地面积,也扩大了加工空间。由于摆动幅度大,底部切削角度达20°。这一特性扩大了DMU 60 eVo的应用范围,例如,可以用于工具制造业或为航空航天工业加工高度复杂的工件。DMU 60 eVo可以配置带托盘交换系统的工作台,也可以配置集成铣削/车削功能的高扭矩工作台。

    该机床有强大的选配功能。DMU 60 eVo标准机床采用滚珠丝杠传动,快移速度为50 m/min。X轴和Y轴可选配直线电机,快移速度达80 m/min。因此,动态性能高,机床的定位时间更短而且定位精度更高。快速换刀装置可以使切削到切削换刀时间减少至5秒以下。该机左侧刀库和链式托架的设计也非常巧妙,机械手结构简单,稳定可靠。除了标配30刀位刀库,用户也可以选配60或甚至120刀位刀库。根据不同的加工任务,除了标配14,000 rpm主轴,用户也可以选配18,000 rpm或24,000 rpm主轴。所有主轴可以配置SK40 (BT40)或HSK A63刀柄。在控制系统方面,DMU 60 eVo采用配有19英寸显示屏和3D软件的DMG ERGOline® Control控制面板。用户可以选择带有ShopMill的西门子840D solutionline或海德汉iTNC530高科技数控系统,以确保最佳的加工性能和编程能力。可以选配托盘交换装置和铣削/车削功能。

    本次参展的五轴联动叶片加工机床主要有DMG的DMU100,HAMUEL的HSTM500及北京机电院的XKH800、南通科技的5DL1100等。瑞士LIECHTI公司带来大叶片加工的最新机床Turbomill 800g(见图3),可加工长达800mm的形状复杂的薄壁高精度叶片。Turbomill 800g比原产品改进很多。B轴摆动安装了圆弧型导轨,使B轴强度增加,机床防护也有很大改进。能够完美的满足日益严格的对质量和生产率的要求。LIECHTI公司生产系列叶片加工中心,如Turbomill800gTwin,Turbomill 1400g,以及Turbomill11400g Twin,目前大叶片加工机床还是该公司产品最优。

    展会展出的叶轮式五轴联动加工中心数量特别多,结构形式也是多种多样。牧野的D500、森精机的NMV3000DCG、MAG的NBV700 5X、台湾盛方源科技的5AX-890,HA-5AX2、大连科德的采用3+2结构的VDW500等。台湾麗驰公司展出的叶轮式五轴联动加工中心LU-620(见图4),X、Y轴采用十字滑台结构,主轴刀具系统上下运动为Z轴,旋转摆动轴不是按常见的A、C轴配置,而是配置了B、C轴,采用高刚性的底座,以支撑B、C轴的旋转。B轴倾斜角度为50°~-110°,C轴可360°旋转,B、C轴采用全圆周油压刹车系统,确保在五轴联动或任意角度定位加工。X、Y、Z三轴及B、C轴均可配置光栅尺,确保直线轴及旋转轴的定位精度。本届展会台湾几家厂商带来的五轴展品比大陆的机床做得要精致,比起西方知名公司还是要差一些。

    本届展会还进行了04专项成果图片展,共展出成果十二类101项,其中加工中心类12项,沈阳机床(集团)有限责任公司的VMC22120U高速五轴联动加工中心(见图5),搭载专项成果、完全自主知识产权的AB双摆头五轴铣头。该机床为立柱移动式结构,工作台在横床身上做X向运动,立柱在纵床身上做Y向运动,滑板在立柱上做Z向运动,主轴绕X轴摆动±40゜为A轴,主轴绕Y轴摆动±40゜为B轴,五轴联动即可加工出复杂的曲面。主要技术优势为:在同类型的加工中心中,该产品为国内首创,实现高速、精密、复合、五轴联动。主要适用于航空企业飞机铝合金及钛合金结构件的高效加工。可为国防等重点领域提供加工解决方案,而其另一规格的加工中心——VMC25100U立式五轴加工中心,则可实现航空难加工材料钛合金的加工。

    另外,不得不提的是,目前生产多轴联动车铣复合加工中心的机床厂家越来越多。本届展会最突出的仍然是瑞士威力铭-马科黛尔公司展出的508MT具有铣车功能的6至8轴多工序加工中心(见图6)。该机床立柱前后运动为Y轴,整个立柱与下方滑台作纵向X运动。电主轴可作B轴摆动(摆动范围-15°~100°),机床的高性能卧式轴(A轴主轴)具有双重功能,低速运转时犹如一转台,而高速运转时即是一个车主轴。机床可配备一带有三工位塔座的多工位背面加工装置。该塔座上可分别安装副主轴、自动定心尾座、虎钳。副主轴是可绕X轴旋转的塔座。副主轴、虎钳均可夹持工件在垂直或水平位置进行铣加工(见图7,图8),副主轴也可在水平或垂直位置进行车削加工(见图9)。A轴主轴可以和副主轴配合、也可以和尾座配合进行车加工(见图10)。塔座在X轴方向的定位由U轴完成。W轴的电主轴定向,即通过夹紧套有效精准的锁紧主轴,用于诸如车削加工、螺纹铣削以及镗孔定位等操作。机床配置高功率电主轴,主轴最高转速42000rpm,直线轴采用超精密预紧滚珠丝杠和直线导轨的高精度运动,进给速度高达40m/min, 机床各轴行程分别为X=450mm,Y= 200mm,Z=425mm, A=360°,B=-15°至+100°,C=360,U=300,W=360。508MT机床旋转轴均采用转矩电机直驱技术,具有极高的静态和动态负载刚性,从而提高了回转轴和摆动轴的定位精度和重复精度。机床拥有无可比拟的柔性,通过一次装夹并在同一加工循环内可完成复杂零件的六面体的加工。

     纵观本届展览会,先进的驱动技术及控制系统在五轴联动加工中心上得到了广泛的应用。如直驱技术、直线电机、力矩电机、内装式电主轴、热变形控制技术以及结构优化技术等被广泛利用。力矩电机在五轴联动机床的结构创新设计中起到了特别重要的作用。从五轴联动加工中心产品上看,国内五轴机床已走过从无到有,特别引人关注的时段。五轴机床的市场与立、卧式加工中心相比相对较小,如果机床做不成精品和实用,不能全面为用户解决加工问题,用户是不会轻易采购的。国外众多知名厂商大多在其原有的机床上做了很大改进,五轴机床的结构设计巧妙,制造精良,全面解决问题的能力非常强,这正是国内厂家需要好好学习的,也是我国五轴机床的发展方向。

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