浅析模具的典型结构应用及特点

黄 滨，廖家贤，李 安

沈阳机床股份有限公司沈一车床厂，辽宁 沈阳 110142

传统的模具加工，通常都是选用三轴立式加工中心完成，在此过程之中，会伴随着很多的人工来实现具体的修整工作。如果选用五轴加工模具，因为刀具和工件位置与角度都可以灵活地进行调整，从而避免了加工过程的刀具干涉，任何一个装夹能完成所有不规则形状零件的加工处理，不但缩短了加工的周期，同时也大大提升了生产的效益，进一步优化和提高的加工器件的精准度。

1 高速五轴的结构特点

五轴加工模具通常都是根据其旋转轴构成的不同型式，划分为3种，一种把两个旋转轴都设计在刀具的同一侧，也就是通常所说的两轴旋转主轴头；第二种是把两个旋转轴分别设计在刀具的两侧；第三种是把两个旋转轴设计在工作台的同一侧，也可称作为两轴旋转工作台。

1.1 双旋转工作台

双旋转工作台的主轴不会摆动，旋转运动都是依靠双旋转工作台具体实现的。这种工作台在运行过程中可以旋转360度，它的回转运动的实际坐标被看作是回转的坐标，而第二个旋转运动的坐标无法实现360度的旋转，可以将其形象地叫作为摆动坐标，所以说工作台经常也叫做旋转／摆动工作台。双旋转工作台不存在具体的倾斜摆动主轴头，所以大大减少了整个控制系统的短时间内的复杂运算量。因此刀具的具体定位时也没有必要去考虑他们之间的三角关系所导致的具体变化，在实际工作中，刀具的偏置量我们可以根据实际情况进行具体的调整Z、Y、X三轴来实现，这样就可以更加便捷和快速地计算出刀具路径。这里需要指出的是，因为双旋转工作台有着自身的结构特点，比如其刚性与机构因素等，极易导致难以实现一些大型化以及承载能力都比较小的生产加工，所以比较适合一些相对比较小的机床，常见于一些中小型模具的生产和加工。

1.2 摆动主轴头加旋转工作台

摆动主轴头加旋转工作台的两个旋转坐标轴依次分布在主轴与工作台的两侧，主要是依据旋转工作台和主轴头的摆动来实现的，这种模具大多用于一些中型的机床。它的配置分别在工作台与主轴头两边设计一组单轴式的旋转轴。因为这种型式配置都是把旋转轴设计在工作台与主轴两侧，所以如果与一些双旋转工作台进行比较，它的优点主要就是刚性相对较高，而且工作台实际的承载能力也比较强。因为双旋转工作台是一个机构的串联，因为空间上有着相对的制约和限制，所以是很难设计出相对比较健壮的模式，因此就引发了整体的刚性欠佳，如果把旋转轴涉及到工作台和主轴头的两边，就能够大大提高结构的刚性，同时也实现了承载能力和工作台面积逐步增大的现象。

1.3 双旋转主轴头的高速五轴机床

双旋转主轴头五轴机床的旋转运动都是依据主轴进行实现的，结合工作台的移动情况，通常都是分为两种机型，其中一种就是把工作台的移动作Z、Y、X这3个具体坐标中的多个或一个直线运动，第二种则是工作台属于固定的，主要是依靠Z、Y、X这三个直线的具体运动和A、B、C三轴的实际转动然后经过主轴头的运转来实现的。第二种型式最为常见，它的应用相对要比第一种广泛一些。第二种机床的主要特点就是工件始终不动，5个坐标的具体运动都是经过主轴头的具体摆动和转动的来一一完成的，它的主轴加工相对比较灵活，所以整个工作台的设计就相对比较大一些，比较适合一些加工具有不规则形面的汽车仪表盘、汽车覆盖件等大型模具。这种机床还有一个优点，那就是在具体使用具体的球头铣刀加工一些曲面的过程中，当刀具的中心线垂直了加工面的时候，此时球面的铣刀已经避开了定点的切削，所以就会保证一定的线速度，这样一来就可大大提高整个表面的部件加工质量。因为具有这一优点，所以这种结构是比较适合一些模具的高精度、复杂曲面的精细加工，因此在实际的加工生产过程中要比工作台回转式加工中心优势还要明显。

2 高速五轴加工机床的技术

驱动技术、控制技术和高速主轴是提高五轴加工中心动态特性、加工精度和高速性能的关键。

2.1 直线电机

因为模具很多都是三维曲面，刀具在整个加工曲面的过程中，刀具轴是不断进行加速和制动，所以只有采用相对较高的轴加速度才能在很高的轨迹速度情况下，在较短的轨迹路径上保证以平衡的每齿进给量跟踪给定的轮廓。如果曲面轮廓的曲率半径愈小，进给速度愈高，那么要求的轴加速度愈高。所以，机床的轴加速度在很大程度上影响到模具的刀具和加工精度的耐用度。

2.2 转矩电机

在高速五轴加工中心上，主轴头和回转工作台的摆动与回转运动，已经被广泛地使用在转矩电机中进行实现的。转矩电机属于一种同步的电机，它的转子是直接固定在所要驱动的具体部件上，因此没有具体的机械传动元件，它就会像直线电机一样属于直接驱动的装置。转矩电机有着高伺服响应、大扭矩输出、无传动背隙、无接触传动（无磨耗）等特点，所能达到的角加速度要比传统的蜗轮蜗杆传动高六倍，在摆动主轴头上加速度可达到三克。使用转矩电机替代齿轮传动和蜗轮媚杆结构可以将机构进行简化，同时提高了机构的动态和静态负载刚性，这就会大幅度地提高了主轴头和旋转工作台的动态性能，进而就会提高摆动轴和回转轴的重复定位精度和定位精度。

2.3 控制系统

五轴机床的运动是五个具体的坐标轴运动合成，旋转坐标的加入使得运动学比三轴机床要复杂很多，其插补运算量也比较大，旋转坐标的微小误差直接导致了加工精度的下降。所以，要实现高速五轴加工，数控系统必须具有良好的伺服性能及高速控制能力，更高的运算精度和速度，而且还需具备刀具中心点管理控制能力；实时的刀长和刀径自动补偿和机床几何自动补偿功能；支持倾斜工作面和圆柱面加工。

3 结论

高速五轴加工作为一种先进加工技术，在国外一些发达国家的模具、汽车、航空航天等领域得到了相对比较普及的广泛的应用。随着加工技术对产品质量要求逐步提高，模具的结构会显得越来越复杂，其更新周期越来越短，所以高速五轴联动加工在不久的将来，必将引领我国模具制造业的壮大发展。

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