關(guān)注五軸數控工具磨 促進(jìn)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展
發(fā)布時(shí)間:2015-05-28 21:56:13 數控機床、數控刀具、數控量?jì)x被稱(chēng)為現代機械制造業(yè)的三大支柱。數控機床是工作母機，數控刀具和數控量?jì)x被喻為數控加工的牙齒和眼睛。三大支柱的技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)現代制造業(yè)在加工精度、效率和制造方式上的不斷升級。
業(yè)界習慣將“高精度、高效率、高可靠性和專(zhuān)用化”的現代高效刀具稱(chēng)為數控刀具。由于數控刀具的材料一般采用高性能高速鋼、硬質(zhì)合金和超硬材料，因此，磨削成為數控刀具的主流加工工藝，從而使作為數控刀具工作母機的數控工具磨床發(fā)揮了關(guān)鍵作用。數控刀具的多樣化決定了數控工具磨床的多品種，如數控鉆頭刃磨機、數控銑刀刃磨機、數控拉刀刃磨機、數控滾刀刃磨機、數控絞刀刃磨機、數控絲錐磨床、數控圓鋸片刃磨機等發(fā)揮了各自加工相應數控刀具的獨特作用。近二十年來(lái)，多軸聯(lián)動(dòng)等數控技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)五軸數控工具磨得到了快速發(fā)展，由于該機型能夠刃磨各種復雜形狀的數控刀具，具有萬(wàn)能性和通用性，五軸數控工具磨已成為數控工具磨床家族中耀眼的明星。
一、市場(chǎng)需求廣闊
當今世界，中國已經(jīng)成為世界最大的裝備制造大國。據報道，2013年我國裝備制造業(yè)產(chǎn)值規模突破20萬(wàn)億元，是2008年的2.2倍，約占全球裝備制造業(yè)產(chǎn)值比例的三分之一，穩據世界首位。其中發(fā)電設備產(chǎn)量1.2億千瓦，約占全球60%；造船完工量4534萬(wàn)載重噸，占全球41%；汽車(chē)產(chǎn)量2212萬(wàn)輛，占全球的25%；機床產(chǎn)量96萬(wàn)臺，占全球的38%。此外，洗衣機、電冰箱、摩托車(chē)、空調機、電視機、手機等年產(chǎn)量都據世界前列。機床是裝備制造業(yè)的工作母機，2002至2013年我國已經(jīng)連續12年成為世界機床第一消費大國，機床消費量約占全球機床消費總量的40%-45%。據有關(guān)統計資料，圖2表示2005-2013年我國機床消費量。
不言而喻，我國也是世界刀具第一消費大國。據悉，2013年我國刀具消費330億元，其中進(jìn)口刀具115億元；國產(chǎn)高檔刀具（數控刀具）所占比重，已經(jīng)從“十一五”規劃初期的15%，上升到25%，呈現良好態(tài)勢，但發(fā)展潛力依然巨大。據工具行業(yè)有關(guān)資料，圖3、圖4表示2005-2013年我國刀具市場(chǎng)消費規模和刀具進(jìn)口規模。
我國數控刀具需求量的快速上升孕育了數控工具磨床的巨大市場(chǎng)潛力。目前高檔數控工具磨床主要依靠進(jìn)口，據悉：我國主要刀具制造骨干企業(yè)進(jìn)口4-5軸數控工具磨床數量達到百臺以上，一些中等規模的刀具制造企業(yè)進(jìn)口該類(lèi)機床也達到數十臺。如某刀具制造骨干企業(yè)2012年一次進(jìn)口4-5軸數控工具磨90臺，用匯4403萬(wàn)美元。除刀具制造企業(yè)外，許多機械制造企業(yè)因本單位刀具修磨和制造需要，在進(jìn)口4-5軸數控工具磨床中也占有很大比重。據海關(guān)統計資料，圖五表示2005-2013年我國數控工具磨床進(jìn)口額（注：進(jìn)口數控工具磨床主要品種是4-5軸數控工具磨）。
二、五軸數控工具磨的技術(shù)特點(diǎn)
現代五軸數控工具磨集數控加工技術(shù)之大成，主要體現在：
1．精密
高精度是刀具品質(zhì)的體現，它直接反映在加工零件的生產(chǎn)質(zhì)量上。由于現代數控刀具高精度要求，相應五軸數控工具磨具有精密機床的秉性。國外五軸數控工具磨的加工精度達到2µ級，因此要求機床結構優(yōu)化設計，采用高檔功能部件，具有良好的靜、動(dòng)和熱態(tài)性能等。
2．高速
數控刀具加工形式主要是高速、高精度成形磨削，金剛石磨具和CBN磨具等超硬材料磨具的應用對磨床高速性能提出新要求，如砂輪軸一般采用電主軸，轉速超過(guò)10000r/min；要求機床具有優(yōu)異的機電耦合、伺服優(yōu)化和高加速性能等。電主軸、力矩電機、直線(xiàn)電機等直驅部件的應用，已經(jīng)成為國外高檔五軸數控工具磨高速性能的新亮點(diǎn)。
3．復合
多軸聯(lián)動(dòng)控制和多工序復合磨削加工是五軸數控工具磨主要技術(shù)特征之一。五軸數控工具磨可以實(shí)現復雜型面和復合刀具一次裝卡全部磨削。由于聚晶金剛石(PCD）和聚晶立方氮化硼（PNCB)等超硬材料應用于數控刀具，使得用金剛石砂輪磨削此類(lèi)數控刀具顯得力不從心。在科技進(jìn)步的推動(dòng)下，應用電火花磨削和激光加工數控刀具的技術(shù)應運而生，現已開(kāi)發(fā)此類(lèi)加工數控刀具機床。目前，5軸數控工具磨用于聚晶金剛石的旋轉電火花加工集成砂輪磨削于同一臺工具磨床，可供帶電極和砂輪更換裝置的雙主軸和單主軸機型，主要用于金屬、木材、陶瓷、塑料等加工行業(yè)的聚晶金剛石刀具加工，表明應用放電加工和砂輪磨削二合一復合加工PCD刀具的復合機床也已經(jīng)成熟。特種加工和復合加工已經(jīng)成為數控工具磨的重要發(fā)展方向。
4．智能
五軸數控工具磨是智能化技術(shù)應用最集中的機型之一。國外先進(jìn)五軸數控工具磨裝備有激光測頭、砂輪探針、聲納感應儀、CCD相機等，其機型一般具有機床狀態(tài)監控和優(yōu)化，動(dòng)、熱態(tài)自動(dòng)補償，防碰撞功能，刀具加工在機檢測，砂輪在線(xiàn)自動(dòng)修磨標定和動(dòng)平衡等功能，提高了刀具磨削的智能化水平。
5．應用軟件
“一半是硬件，一半是軟件”這是五軸數控工具磨加工數控刀具的基本特點(diǎn)。沒(méi)有豐富的數控刀具磨削軟件的支撐就無(wú)法加工出精彩紛呈、形式多樣的數控刀具產(chǎn)品。一般磨削軟件包括加工標準刀具模塊和非標刀具模塊，操作者可以應用數據庫或自行設置刀具幾何參數形成3D圖形仿真加工程序。對于圓錐球頭立銑刀等復雜形狀刀具的磨削加工，目前國外實(shí)力雄厚的公司可以精確地加工出來(lái)，因為加工這種刀具需要高精度多軸聯(lián)動(dòng)的數控工具磨床以及高精度加工數據計算的高級磨削軟件。由此可見(jiàn)，五軸數控工具磨是軟件開(kāi)發(fā)應用最充分的數控機床之一。
6．自動(dòng)化
機器人廣泛應用于數控工具磨床，成功解決了自動(dòng)交換砂輪和工件自動(dòng)上下料等問(wèn)題，因而大大提高了數控工具磨床的加工效率、精度和一致性。工業(yè)機器人與數控工具磨的有機融合，形成了自動(dòng)化的磨削中心（FMC)。
綜上所述，現代五軸數控工具磨集先進(jìn)制造技術(shù)于一身，成為當代高新技術(shù)綜合應用的載體。此外，五軸數控工具磨還可用于醫療零件、IT業(yè)和航空航天業(yè)特殊材料復雜件等精密加工。可以預見(jiàn)，被喻為“精靈”的五軸數控工具磨，在現代制造業(yè)中將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。
三．五軸數控工具磨的結構形式
五軸數控工具磨主要針對復雜數控刀具進(jìn)行磨削，為了實(shí)現對復雜曲面的磨削，機床加工時(shí)要求實(shí)現X、Y、Z、A或（B）、C--五軸聯(lián)動(dòng)。機床一般由主運動(dòng)部件（砂輪）、進(jìn)給運動(dòng)部件、輔助部件、立柱、機座等組成。五軸數控工具磨運動(dòng)部件布局結構形式多樣，按被加工件主軸線(xiàn)分立式和臥式兩大類(lèi)。現介紹國內外常用的幾種機床結構形式。
1．被加工件軸線(xiàn)立式布局
如圖6所示，機床的被加工件主軸線(xiàn)立式布局，實(shí)現5軸聯(lián)動(dòng)：
X---工件工作臺橫向移動(dòng)
Y----工件工作臺縱向移動(dòng)
Z----磨頭軸上下垂直移動(dòng)
A---工件主軸回轉角度360度
B---磨頭軸回轉
C----工件工作臺水平方向擺動(dòng)
基于這種布局，砂輪可以從前、后、左、右以任意角度接近工件加工，實(shí)現5軸聯(lián)動(dòng)，工件在一次裝夾中可以實(shí)現全磨削。這種磨削方式，機動(dòng)靈活，效率高；消除被加工件重心影響，加工精度高。
2．被加工件軸線(xiàn)臥式布局，工件工作臺實(shí)現A,C軸轉動(dòng)
如圖7所示，被加工件軸線(xiàn)臥式布局，工件工作臺帶X軸，并實(shí)現A、C軸轉動(dòng)；砂輪主軸上下左右移動(dòng)實(shí)現Y、Z軸移動(dòng)。立柱可采用整體龍門(mén)式，橫梁在立柱上下滑動(dòng)，砂輪軸在橫梁左右滑動(dòng)，這種組合結構緊湊、剛性?xún)?yōu)越，砂輪軸移動(dòng)平穩，工件處于同一水平面運動(dòng)穩定，操作方便。
3．被加工件軸線(xiàn)臥式布局，工件工作臺A軸轉動(dòng)，砂輪主軸B軸轉動(dòng)
如圖8所示，被加工件軸線(xiàn)臥式布局，工件工作臺帶有X軸、Z軸和A軸，砂輪主軸帶有Y軸和B軸，這種組合比較靈活，結構緊湊，加工效率高。
4．被加工件軸線(xiàn)臥式布局，砂輪主軸實(shí)現C軸轉動(dòng)
如圖9所示，被加工件軸線(xiàn)臥式布局，工件工作臺帶有X、Y、Z、A軸、砂輪主軸帶有C軸，這種組合增加了C軸剛度和砂輪運行穩定性，提高了砂輪運動(dòng)精度，對于砂輪更換十分有利；工件工作臺運動(dòng)坐標較多，結構緊湊。
四、關(guān)鍵技術(shù)與重要配套件
1．關(guān)鍵技術(shù)
高端五軸聯(lián)動(dòng)數控工具磨，涉及主要關(guān)鍵技術(shù)有以下幾個(gè)方面：
⑴用于精密磨削的機床高剛度床身、立柱及主要結構件有限元分析和整機優(yōu)化設計技術(shù)；
⑵高速電主軸（磨頭）結構優(yōu)化及潤滑、冷卻技術(shù)；
⑶高速電主軸砂輪虛擬式在線(xiàn)動(dòng)平衡、檢測和修整技術(shù)；
⑷回轉軸-A/B/C結構設計及高精度運動(dòng)技術(shù)；
⑸直線(xiàn)軸-X/Y/Z設計及重復定位精度控制技術(shù)；
⑹五軸聯(lián)動(dòng)工具加工程序編制及系統軟件應用技術(shù)；
⑺自動(dòng)刀具測量和定位系統技術(shù)；
⑻高速磨削冷卻液的注入及高壓大流量切削液過(guò)濾、冷卻技術(shù)；
⑼五軸聯(lián)動(dòng)數控工具磨床的總裝及調試技術(shù)。
(10)工業(yè)機器人應用等自動(dòng)化技術(shù)
2．重要配套件
（1）數控系統
高性能五軸數控工具磨要求配套的數控系統具有以下方面特點(diǎn)：具有開(kāi)放式體系結構；高精度納米插補及運動(dòng)控制；網(wǎng)絡(luò )化全數字系統體系結構；高效曲面加工性能；易于數控編程和調試等。數控系統應具有多軸、多通道控制；具有高速、高精運動(dòng)性能；數字化總線(xiàn)通訊；動(dòng)態(tài)補償、伺服優(yōu)化等智能化功能等。
目前國外廠(chǎng)商一般采用FANUC31i系統和SIEMENS-840DSL系統。這一類(lèi)控制系統通用性強。而現在工具磨床廠(chǎng)商又熱衷開(kāi)發(fā)專(zhuān)用數控系統和刀具磨削軟件，如ANCA公司的ANCA系統、WALTER公司的HMC500和HMC1500/200系統、阿格頓公司的AGATHON系統。這一趨勢表明，專(zhuān)用系統可隨機床要求的復雜程度和加工對象，由模塊化組件來(lái)增減加工功能，以實(shí)現它的萬(wàn)能性和經(jīng)濟性。工具磨床專(zhuān)用系統的CNC編程技術(shù)結合了各種數學(xué)方程表達式，因而可實(shí)現廣泛范圍的插補：有直線(xiàn)插補、圓弧插補、漸開(kāi)線(xiàn)插補、指數函數插補、螺旋線(xiàn)插補、樣條函數插補等功能，能解決各種復雜形狀刀具的高精度加工。
我國華中數控股份公司、大連光洋科技工程公司、廣州數控設備公司開(kāi)發(fā)的高檔數控系統也已經(jīng)為國產(chǎn)五軸數控工具磨配套使用。
（2）數控刀具磨削軟件
國外數控工具磨床配置的刀具磨削加工軟件可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是由專(zhuān)業(yè)的刀具磨削軟件公司開(kāi)發(fā)的軟件，如瑞士MTS公司開(kāi)發(fā)的刀具磨削軟件tool—kitPRO—FESSIONAL，瑞士NUM公司開(kāi)發(fā)的刀具磨削軟件NUMROTOplus等；另一類(lèi)是由工具磨床制造商自主開(kāi)發(fā)的軟件，這類(lèi)磨削加工軟件中不但包含了工具磨床制造商(國外知名的工具磨床制造商通常也是知名的刀具制造商)的刀具磨削、機床制造知識，更融入了其長(cháng)期積累的刀具生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗。雖然各公司推出的刀具磨削加工軟件在功能、智能化、可視化等方面存在差異，但一般都具有3D仿真、圖形引導、參數化編程功能、開(kāi)放式刀具磨削專(zhuān)家庫等，以便于實(shí)現數控刀具的設計和制造。
我國華中數控股份公司和大連光洋科技工程公司等企業(yè)也已經(jīng)開(kāi)發(fā)了自主知識版權的數控刀具磨削軟件。
（3）功能部件
主要功能部件涉及高性能電主軸（磨頭主軸）、高精度滾珠絲杠和直線(xiàn)滾動(dòng)導軌、高精度直線(xiàn)光柵和圓光柵、直線(xiàn)電機和力矩電機、高精度滾動(dòng)軸承、高精度數控轉臺、精密靜壓軸承、靜壓導軌等。
（4）其它配套件
機床的切削液系統需配置高壓、大流量過(guò)濾冷卻站，機床要求配置吸油霧器、防爆滅火等環(huán)保安全裝置。
機床智能化、自動(dòng)化功能需要配置工件(刀具)和砂輪自動(dòng)測量和定位系統、砂輪虛擬式在線(xiàn)動(dòng)平衡檢測裝置，以及砂輪庫或自動(dòng)砂輪轉換器及機械手，上下料機器人等，以便提高了機床智能化、自動(dòng)化水平，滿(mǎn)足日益增長(cháng)的數控刀具高效、高精磨削加工需求。
五、國外典型產(chǎn)品簡(jiǎn)介
1.WALTER公司HelitronicPower型工具磨如圖10所示，該機型被加工件軸線(xiàn)臥式布局，龍門(mén)式立柱結構，工件工作臺帶X軸，并實(shí)現A,C軸轉動(dòng)；砂輪主軸上下左右移動(dòng)實(shí)現Y、Z軸。一次裝卡可以實(shí)現Ф3-320mm，長(cháng)350mm的回轉類(lèi)復雜數控刀具磨削。該機配套FANUC31i數控系統，公司自行開(kāi)發(fā)數控刀具磨削軟件。該機床可配置電主軸砂輪、力矩電機轉臺、刀具自動(dòng)定位探針、砂輪自動(dòng)更換裝置、刀具在線(xiàn)輪廓測量?jì)x、刀具自動(dòng)支撐架、刀具自動(dòng)上下料裝置等。選項有：進(jìn)給率優(yōu)化器、刀具平衡儀、一體化測量系統、扭矩自適應控制等。
2.澳大利亞ANCA公司MX5型五軸數控工具磨
該機型被加工件軸線(xiàn)臥式布局，龍門(mén)式立柱結構,采用ANCACNCCONTROL控制系統，實(shí)現X、Y、Z、A、C—五軸聯(lián)動(dòng)。X/Y/Z---540/510/215mm，C/A---264°/360°，主功率14kW；機床具有2套砂輪架系統，砂輪軸轉速10000r/min，其交換時(shí)間為10s，砂輪最大直徑203mm；配有激光連續測量系統，具有機器人上下料系統。加工工件直徑100mm，加工長(cháng)度300mm，具有自行開(kāi)發(fā)3D仿真磨削軟件。
六、加快發(fā)展國產(chǎn)高檔五軸數控工具磨的建議
總體來(lái)看，國產(chǎn)五軸數控工具磨與國外先進(jìn)水平相比，在加工精度、效率、智能化、自動(dòng)化、數控和軟件技術(shù)、可靠性和宜人性等都存在差距，加快發(fā)展國產(chǎn)高檔五軸數控工具磨，需要國家產(chǎn)業(yè)政策和科技政策支持，更需要產(chǎn)業(yè)界努力。為此，特提出以下建議：
（1）加大“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專(zhuān)項對五軸數控工具磨科研、開(kāi)發(fā)、示范和推廣的支持力度。
（2）著(zhù)力提高國產(chǎn)五軸工具磨的技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量和使用可靠性。對生產(chǎn)企業(yè)，建議按五軸工具磨銷(xiāo)售額實(shí)現增值稅先征后返的優(yōu)惠政策，鼓勵推廣應用。
（3）大力發(fā)展五軸數控工具磨產(chǎn)品配套所需的功能部件，為產(chǎn)品升級和產(chǎn)業(yè)化提供產(chǎn)業(yè)鏈配套支持。
（4）支持重點(diǎn)骨干企業(yè)實(shí)施技術(shù)改造，提高五軸數控工具磨制造工藝裝備水平和試驗檢測能力。
（5）鼓勵以骨干企業(yè)為主導，以市場(chǎng)需求為牽引，“產(chǎn)學(xué)研用”結合，特別要加強刀具制造和工具磨床制造兩個(gè)行業(yè)主導企業(yè)的合作，推動(dòng)科技成果產(chǎn)業(yè)化。
七、結束語(yǔ)
“工欲善其事，必先利其器”。推動(dòng)國產(chǎn)五軸數控工具磨提高技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化程度，加快發(fā)展國產(chǎn)高檔五軸數控工具磨，滿(mǎn)足我國制造業(yè)的需求，已經(jīng)成為機床工具行業(yè)轉型升級的緊迫任務(wù)。
業(yè)界習慣將“高精度、高效率、高可靠性和專(zhuān)用化”的現代高效刀具稱(chēng)為數控刀具。由于數控刀具的材料一般采用高性能高速鋼、硬質(zhì)合金和超硬材料，因此，磨削成為數控刀具的主流加工工藝，從而使作為數控刀具工作母機的數控工具磨床發(fā)揮了關(guān)鍵作用。數控刀具的多樣化決定了數控工具磨床的多品種，如數控鉆頭刃磨機、數控銑刀刃磨機、數控拉刀刃磨機、數控滾刀刃磨機、數控絞刀刃磨機、數控絲錐磨床、數控圓鋸片刃磨機等發(fā)揮了各自加工相應數控刀具的獨特作用。近二十年來(lái)，多軸聯(lián)動(dòng)等數控技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)五軸數控工具磨得到了快速發(fā)展，由于該機型能夠刃磨各種復雜形狀的數控刀具，具有萬(wàn)能性和通用性，五軸數控工具磨已成為數控工具磨床家族中耀眼的明星。
一、市場(chǎng)需求廣闊
當今世界，中國已經(jīng)成為世界最大的裝備制造大國。據報道，2013年我國裝備制造業(yè)產(chǎn)值規模突破20萬(wàn)億元，是2008年的2.2倍，約占全球裝備制造業(yè)產(chǎn)值比例的三分之一，穩據世界首位。其中發(fā)電設備產(chǎn)量1.2億千瓦，約占全球60%；造船完工量4534萬(wàn)載重噸，占全球41%；汽車(chē)產(chǎn)量2212萬(wàn)輛，占全球的25%；機床產(chǎn)量96萬(wàn)臺，占全球的38%。此外，洗衣機、電冰箱、摩托車(chē)、空調機、電視機、手機等年產(chǎn)量都據世界前列。機床是裝備制造業(yè)的工作母機，2002至2013年我國已經(jīng)連續12年成為世界機床第一消費大國，機床消費量約占全球機床消費總量的40%-45%。據有關(guān)統計資料，圖2表示2005-2013年我國機床消費量。
不言而喻，我國也是世界刀具第一消費大國。據悉，2013年我國刀具消費330億元，其中進(jìn)口刀具115億元；國產(chǎn)高檔刀具（數控刀具）所占比重，已經(jīng)從“十一五”規劃初期的15%，上升到25%，呈現良好態(tài)勢，但發(fā)展潛力依然巨大。據工具行業(yè)有關(guān)資料，圖3、圖4表示2005-2013年我國刀具市場(chǎng)消費規模和刀具進(jìn)口規模。
我國數控刀具需求量的快速上升孕育了數控工具磨床的巨大市場(chǎng)潛力。目前高檔數控工具磨床主要依靠進(jìn)口，據悉：我國主要刀具制造骨干企業(yè)進(jìn)口4-5軸數控工具磨床數量達到百臺以上，一些中等規模的刀具制造企業(yè)進(jìn)口該類(lèi)機床也達到數十臺。如某刀具制造骨干企業(yè)2012年一次進(jìn)口4-5軸數控工具磨90臺，用匯4403萬(wàn)美元。除刀具制造企業(yè)外，許多機械制造企業(yè)因本單位刀具修磨和制造需要，在進(jìn)口4-5軸數控工具磨床中也占有很大比重。據海關(guān)統計資料，圖五表示2005-2013年我國數控工具磨床進(jìn)口額（注：進(jìn)口數控工具磨床主要品種是4-5軸數控工具磨）。
二、五軸數控工具磨的技術(shù)特點(diǎn)
現代五軸數控工具磨集數控加工技術(shù)之大成，主要體現在：
1．精密
高精度是刀具品質(zhì)的體現，它直接反映在加工零件的生產(chǎn)質(zhì)量上。由于現代數控刀具高精度要求，相應五軸數控工具磨具有精密機床的秉性。國外五軸數控工具磨的加工精度達到2µ級，因此要求機床結構優(yōu)化設計，采用高檔功能部件，具有良好的靜、動(dòng)和熱態(tài)性能等。
2．高速
數控刀具加工形式主要是高速、高精度成形磨削，金剛石磨具和CBN磨具等超硬材料磨具的應用對磨床高速性能提出新要求，如砂輪軸一般采用電主軸，轉速超過(guò)10000r/min；要求機床具有優(yōu)異的機電耦合、伺服優(yōu)化和高加速性能等。電主軸、力矩電機、直線(xiàn)電機等直驅部件的應用，已經(jīng)成為國外高檔五軸數控工具磨高速性能的新亮點(diǎn)。
3．復合
多軸聯(lián)動(dòng)控制和多工序復合磨削加工是五軸數控工具磨主要技術(shù)特征之一。五軸數控工具磨可以實(shí)現復雜型面和復合刀具一次裝卡全部磨削。由于聚晶金剛石(PCD）和聚晶立方氮化硼（PNCB)等超硬材料應用于數控刀具，使得用金剛石砂輪磨削此類(lèi)數控刀具顯得力不從心。在科技進(jìn)步的推動(dòng)下，應用電火花磨削和激光加工數控刀具的技術(shù)應運而生，現已開(kāi)發(fā)此類(lèi)加工數控刀具機床。目前，5軸數控工具磨用于聚晶金剛石的旋轉電火花加工集成砂輪磨削于同一臺工具磨床，可供帶電極和砂輪更換裝置的雙主軸和單主軸機型，主要用于金屬、木材、陶瓷、塑料等加工行業(yè)的聚晶金剛石刀具加工，表明應用放電加工和砂輪磨削二合一復合加工PCD刀具的復合機床也已經(jīng)成熟。特種加工和復合加工已經(jīng)成為數控工具磨的重要發(fā)展方向。
4．智能
五軸數控工具磨是智能化技術(shù)應用最集中的機型之一。國外先進(jìn)五軸數控工具磨裝備有激光測頭、砂輪探針、聲納感應儀、CCD相機等，其機型一般具有機床狀態(tài)監控和優(yōu)化，動(dòng)、熱態(tài)自動(dòng)補償，防碰撞功能，刀具加工在機檢測，砂輪在線(xiàn)自動(dòng)修磨標定和動(dòng)平衡等功能，提高了刀具磨削的智能化水平。
5．應用軟件
“一半是硬件，一半是軟件”這是五軸數控工具磨加工數控刀具的基本特點(diǎn)。沒(méi)有豐富的數控刀具磨削軟件的支撐就無(wú)法加工出精彩紛呈、形式多樣的數控刀具產(chǎn)品。一般磨削軟件包括加工標準刀具模塊和非標刀具模塊，操作者可以應用數據庫或自行設置刀具幾何參數形成3D圖形仿真加工程序。對于圓錐球頭立銑刀等復雜形狀刀具的磨削加工，目前國外實(shí)力雄厚的公司可以精確地加工出來(lái)，因為加工這種刀具需要高精度多軸聯(lián)動(dòng)的數控工具磨床以及高精度加工數據計算的高級磨削軟件。由此可見(jiàn)，五軸數控工具磨是軟件開(kāi)發(fā)應用最充分的數控機床之一。
6．自動(dòng)化
機器人廣泛應用于數控工具磨床，成功解決了自動(dòng)交換砂輪和工件自動(dòng)上下料等問(wèn)題，因而大大提高了數控工具磨床的加工效率、精度和一致性。工業(yè)機器人與數控工具磨的有機融合，形成了自動(dòng)化的磨削中心（FMC)。
綜上所述，現代五軸數控工具磨集先進(jìn)制造技術(shù)于一身，成為當代高新技術(shù)綜合應用的載體。此外，五軸數控工具磨還可用于醫療零件、IT業(yè)和航空航天業(yè)特殊材料復雜件等精密加工。可以預見(jiàn)，被喻為“精靈”的五軸數控工具磨，在現代制造業(yè)中將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。
三．五軸數控工具磨的結構形式
五軸數控工具磨主要針對復雜數控刀具進(jìn)行磨削，為了實(shí)現對復雜曲面的磨削，機床加工時(shí)要求實(shí)現X、Y、Z、A或（B）、C--五軸聯(lián)動(dòng)。機床一般由主運動(dòng)部件（砂輪）、進(jìn)給運動(dòng)部件、輔助部件、立柱、機座等組成。五軸數控工具磨運動(dòng)部件布局結構形式多樣，按被加工件主軸線(xiàn)分立式和臥式兩大類(lèi)。現介紹國內外常用的幾種機床結構形式。
1．被加工件軸線(xiàn)立式布局
如圖6所示，機床的被加工件主軸線(xiàn)立式布局，實(shí)現5軸聯(lián)動(dòng)：
X---工件工作臺橫向移動(dòng)
Y----工件工作臺縱向移動(dòng)
Z----磨頭軸上下垂直移動(dòng)
A---工件主軸回轉角度360度
B---磨頭軸回轉
C----工件工作臺水平方向擺動(dòng)
基于這種布局，砂輪可以從前、后、左、右以任意角度接近工件加工，實(shí)現5軸聯(lián)動(dòng)，工件在一次裝夾中可以實(shí)現全磨削。這種磨削方式，機動(dòng)靈活，效率高；消除被加工件重心影響，加工精度高。
2．被加工件軸線(xiàn)臥式布局，工件工作臺實(shí)現A,C軸轉動(dòng)
如圖7所示，被加工件軸線(xiàn)臥式布局，工件工作臺帶X軸，并實(shí)現A、C軸轉動(dòng)；砂輪主軸上下左右移動(dòng)實(shí)現Y、Z軸移動(dòng)。立柱可采用整體龍門(mén)式，橫梁在立柱上下滑動(dòng)，砂輪軸在橫梁左右滑動(dòng)，這種組合結構緊湊、剛性?xún)?yōu)越，砂輪軸移動(dòng)平穩，工件處于同一水平面運動(dòng)穩定，操作方便。
3．被加工件軸線(xiàn)臥式布局，工件工作臺A軸轉動(dòng)，砂輪主軸B軸轉動(dòng)
如圖8所示，被加工件軸線(xiàn)臥式布局，工件工作臺帶有X軸、Z軸和A軸，砂輪主軸帶有Y軸和B軸，這種組合比較靈活，結構緊湊，加工效率高。
4．被加工件軸線(xiàn)臥式布局，砂輪主軸實(shí)現C軸轉動(dòng)
如圖9所示，被加工件軸線(xiàn)臥式布局，工件工作臺帶有X、Y、Z、A軸、砂輪主軸帶有C軸，這種組合增加了C軸剛度和砂輪運行穩定性，提高了砂輪運動(dòng)精度，對于砂輪更換十分有利；工件工作臺運動(dòng)坐標較多，結構緊湊。
四、關(guān)鍵技術(shù)與重要配套件
1．關(guān)鍵技術(shù)
高端五軸聯(lián)動(dòng)數控工具磨，涉及主要關(guān)鍵技術(shù)有以下幾個(gè)方面：
⑴用于精密磨削的機床高剛度床身、立柱及主要結構件有限元分析和整機優(yōu)化設計技術(shù)；
⑵高速電主軸（磨頭）結構優(yōu)化及潤滑、冷卻技術(shù)；
⑶高速電主軸砂輪虛擬式在線(xiàn)動(dòng)平衡、檢測和修整技術(shù)；
⑷回轉軸-A/B/C結構設計及高精度運動(dòng)技術(shù)；
⑸直線(xiàn)軸-X/Y/Z設計及重復定位精度控制技術(shù)；
⑹五軸聯(lián)動(dòng)工具加工程序編制及系統軟件應用技術(shù)；
⑺自動(dòng)刀具測量和定位系統技術(shù)；
⑻高速磨削冷卻液的注入及高壓大流量切削液過(guò)濾、冷卻技術(shù)；
⑼五軸聯(lián)動(dòng)數控工具磨床的總裝及調試技術(shù)。
(10)工業(yè)機器人應用等自動(dòng)化技術(shù)
2．重要配套件
（1）數控系統
高性能五軸數控工具磨要求配套的數控系統具有以下方面特點(diǎn)：具有開(kāi)放式體系結構；高精度納米插補及運動(dòng)控制；網(wǎng)絡(luò )化全數字系統體系結構；高效曲面加工性能；易于數控編程和調試等。數控系統應具有多軸、多通道控制；具有高速、高精運動(dòng)性能；數字化總線(xiàn)通訊；動(dòng)態(tài)補償、伺服優(yōu)化等智能化功能等。
目前國外廠(chǎng)商一般采用FANUC31i系統和SIEMENS-840DSL系統。這一類(lèi)控制系統通用性強。而現在工具磨床廠(chǎng)商又熱衷開(kāi)發(fā)專(zhuān)用數控系統和刀具磨削軟件，如ANCA公司的ANCA系統、WALTER公司的HMC500和HMC1500/200系統、阿格頓公司的AGATHON系統。這一趨勢表明，專(zhuān)用系統可隨機床要求的復雜程度和加工對象，由模塊化組件來(lái)增減加工功能，以實(shí)現它的萬(wàn)能性和經(jīng)濟性。工具磨床專(zhuān)用系統的CNC編程技術(shù)結合了各種數學(xué)方程表達式，因而可實(shí)現廣泛范圍的插補：有直線(xiàn)插補、圓弧插補、漸開(kāi)線(xiàn)插補、指數函數插補、螺旋線(xiàn)插補、樣條函數插補等功能，能解決各種復雜形狀刀具的高精度加工。
我國華中數控股份公司、大連光洋科技工程公司、廣州數控設備公司開(kāi)發(fā)的高檔數控系統也已經(jīng)為國產(chǎn)五軸數控工具磨配套使用。
（2）數控刀具磨削軟件
國外數控工具磨床配置的刀具磨削加工軟件可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是由專(zhuān)業(yè)的刀具磨削軟件公司開(kāi)發(fā)的軟件，如瑞士MTS公司開(kāi)發(fā)的刀具磨削軟件tool—kitPRO—FESSIONAL，瑞士NUM公司開(kāi)發(fā)的刀具磨削軟件NUMROTOplus等；另一類(lèi)是由工具磨床制造商自主開(kāi)發(fā)的軟件，這類(lèi)磨削加工軟件中不但包含了工具磨床制造商(國外知名的工具磨床制造商通常也是知名的刀具制造商)的刀具磨削、機床制造知識，更融入了其長(cháng)期積累的刀具生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗。雖然各公司推出的刀具磨削加工軟件在功能、智能化、可視化等方面存在差異，但一般都具有3D仿真、圖形引導、參數化編程功能、開(kāi)放式刀具磨削專(zhuān)家庫等，以便于實(shí)現數控刀具的設計和制造。
我國華中數控股份公司和大連光洋科技工程公司等企業(yè)也已經(jīng)開(kāi)發(fā)了自主知識版權的數控刀具磨削軟件。
（3）功能部件
主要功能部件涉及高性能電主軸（磨頭主軸）、高精度滾珠絲杠和直線(xiàn)滾動(dòng)導軌、高精度直線(xiàn)光柵和圓光柵、直線(xiàn)電機和力矩電機、高精度滾動(dòng)軸承、高精度數控轉臺、精密靜壓軸承、靜壓導軌等。
（4）其它配套件
機床的切削液系統需配置高壓、大流量過(guò)濾冷卻站，機床要求配置吸油霧器、防爆滅火等環(huán)保安全裝置。
機床智能化、自動(dòng)化功能需要配置工件(刀具)和砂輪自動(dòng)測量和定位系統、砂輪虛擬式在線(xiàn)動(dòng)平衡檢測裝置，以及砂輪庫或自動(dòng)砂輪轉換器及機械手，上下料機器人等，以便提高了機床智能化、自動(dòng)化水平，滿(mǎn)足日益增長(cháng)的數控刀具高效、高精磨削加工需求。
五、國外典型產(chǎn)品簡(jiǎn)介
1.WALTER公司HelitronicPower型工具磨如圖10所示，該機型被加工件軸線(xiàn)臥式布局，龍門(mén)式立柱結構，工件工作臺帶X軸，并實(shí)現A,C軸轉動(dòng)；砂輪主軸上下左右移動(dòng)實(shí)現Y、Z軸。一次裝卡可以實(shí)現Ф3-320mm，長(cháng)350mm的回轉類(lèi)復雜數控刀具磨削。該機配套FANUC31i數控系統，公司自行開(kāi)發(fā)數控刀具磨削軟件。該機床可配置電主軸砂輪、力矩電機轉臺、刀具自動(dòng)定位探針、砂輪自動(dòng)更換裝置、刀具在線(xiàn)輪廓測量?jì)x、刀具自動(dòng)支撐架、刀具自動(dòng)上下料裝置等。選項有：進(jìn)給率優(yōu)化器、刀具平衡儀、一體化測量系統、扭矩自適應控制等。
2.澳大利亞ANCA公司MX5型五軸數控工具磨
該機型被加工件軸線(xiàn)臥式布局，龍門(mén)式立柱結構,采用ANCACNCCONTROL控制系統，實(shí)現X、Y、Z、A、C—五軸聯(lián)動(dòng)。X/Y/Z---540/510/215mm，C/A---264°/360°，主功率14kW；機床具有2套砂輪架系統，砂輪軸轉速10000r/min，其交換時(shí)間為10s，砂輪最大直徑203mm；配有激光連續測量系統，具有機器人上下料系統。加工工件直徑100mm，加工長(cháng)度300mm，具有自行開(kāi)發(fā)3D仿真磨削軟件。
六、加快發(fā)展國產(chǎn)高檔五軸數控工具磨的建議
總體來(lái)看，國產(chǎn)五軸數控工具磨與國外先進(jìn)水平相比，在加工精度、效率、智能化、自動(dòng)化、數控和軟件技術(shù)、可靠性和宜人性等都存在差距，加快發(fā)展國產(chǎn)高檔五軸數控工具磨，需要國家產(chǎn)業(yè)政策和科技政策支持，更需要產(chǎn)業(yè)界努力。為此，特提出以下建議：
（1）加大“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專(zhuān)項對五軸數控工具磨科研、開(kāi)發(fā)、示范和推廣的支持力度。
（2）著(zhù)力提高國產(chǎn)五軸工具磨的技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量和使用可靠性。對生產(chǎn)企業(yè)，建議按五軸工具磨銷(xiāo)售額實(shí)現增值稅先征后返的優(yōu)惠政策，鼓勵推廣應用。
（3）大力發(fā)展五軸數控工具磨產(chǎn)品配套所需的功能部件，為產(chǎn)品升級和產(chǎn)業(yè)化提供產(chǎn)業(yè)鏈配套支持。
（4）支持重點(diǎn)骨干企業(yè)實(shí)施技術(shù)改造，提高五軸數控工具磨制造工藝裝備水平和試驗檢測能力。
（5）鼓勵以骨干企業(yè)為主導，以市場(chǎng)需求為牽引，“產(chǎn)學(xué)研用”結合，特別要加強刀具制造和工具磨床制造兩個(gè)行業(yè)主導企業(yè)的合作，推動(dòng)科技成果產(chǎn)業(yè)化。
七、結束語(yǔ)
“工欲善其事，必先利其器”。推動(dòng)國產(chǎn)五軸數控工具磨提高技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化程度，加快發(fā)展國產(chǎn)高檔五軸數控工具磨，滿(mǎn)足我國制造業(yè)的需求，已經(jīng)成為機床工具行業(yè)轉型升級的緊迫任務(wù)。
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