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從CIMT2021看五軸頭的技術發展
2021-08-27 10:55:01

2021412-17日,由中國機床工具工業協會主辦的CIMT2021在北京成功舉辦。作為本年度國內舉辦的規模最大、品牌知名度最高的機床工具盛會,吸引了境內外知名企業爭相在這個全球業界四大知名展會之一的平臺上展示自己的技術水平和服務實力。作為后疫情時期首個開幕的全球知名機床工具展,CIMT2021吸引了20余萬人到場,現場人流如織。

 

五軸頭是數控機床的重要功能部件,代表著機床最主要的核心技術之一,它能夠擴展傳統機床的加工形式和加工自由度,實現機床功能的多樣化,能大幅度提升機床的加工范圍,使用戶企業實現生產力和附加值的最大化。CIMT2021展會上,境內外企業展出了品種繁多、外觀精美的五軸頭產品,筆者就其中部分五軸頭產品進行評述,不到之處,請同行斧正。

 

一、電主軸五軸頭

 

五軸聯動加工一直是加工中心的至高追求,隨著模具制造和航空航天產業的迅速發展,對五軸聯動加工機床的需求越來越大。采用力矩電機驅動A/C軸的五軸頭可實現聯動加工,采用大功率高速電主軸可實現高速高精加工。

 

對于雙軸(A/C軸)采用力矩電機直驅的AC擺頭,有單擺和雙擺兩種形式。單擺式的只有一邊設有力矩電機,A軸驅動力較同規格雙擺式的小。雙擺式是A軸兩側都有力矩電機驅動,相對單擺式A軸驅動力大,并且A軸對稱式設計,擺頭重心與C軸旋轉中心重合,轉位具有更好的穩定性。

 

1. 濟南二機床集團有限公司

 

濟南二機床展出的4個五軸頭在跑和臺上各自做著A/C軸擺動動作,給觀眾帶來視覺沖擊,非常吸引眼球。

上圖中從左到右的4個五軸頭分別是通用伺服電機驅動A/C雙擺角銑頭、機械主軸式A/C雙擺角銑頭、力矩電機直驅A/C雙擺角銑頭、力矩電機直驅偏置A/C雙擺角銑頭。大功率大扭矩的加工優選機械主軸式A/C雙擺頭和通用伺服電機驅動A/C雙擺角銑頭,機械主軸式A/C雙擺頭的A/C軸驅動扭矩可達4000-8700Nm,主軸扭矩最大可達3070Nm,機械主軸轉速5000r/min,適合強力切削;通用伺服電機驅動A/C雙擺角銑頭A/C軸驅動扭矩1200Nm,主軸功率40-80kW,主軸最高轉速30000r/min,適用于有色金屬、復材等材料零件的高速高精加工。高精度高效率加工以力矩電機直驅A/C雙擺角銑頭和力矩電機直驅偏置A/C雙擺角銑頭為優選,力矩電機直驅A/C雙擺角銑頭A/C軸驅動扭矩1500Nm,主軸功率37-80kW,主軸最高轉速30000r/min,A/C軸工作旋轉速度60r/min,適用于有色金屬高速加工及模具精加工;力矩電機直驅偏置A/C雙擺角銑頭A/C軸驅動扭矩800-1200Nm,主軸功率25-40kW,主軸最高轉速24000r/min,A/C軸工作旋轉速度60r/min,適用于汽車外板模具、玻璃鋼及碳纖維等復合材料的精加工。

 

濟南二機床的五軸頭,按不同應用領域設計成4個具有代表性的產品,加工范圍覆蓋了大部分機加工行業產品。

 

2. 山東威達重工股份有限公司

 

展出的GMC2232bu五軸橋式高速龍門加工中心上配置了一款意大利HSD-810型雙臂叉式五軸銑頭,該銑頭力矩電機直驅,主軸功率50/67.5kW,主軸最大輸出扭矩90/120Nm,A/C軸加持力矩都達到4000Nm,A軸定位精度6〞,C軸定位精度8〞,A/C軸搖擺最大速度30r/min。這種直驅五軸頭,既可五軸聯動加工,也可擺角到位后通過液壓夾緊實現定角度大扭矩加工。

3. 寧波海天精工股份有限公司

 

展出兩款五軸頭,分別是5AS系列單臂五軸頭和5AF系列雙臂擺頭,吸引了眾多觀眾。這兩款五軸頭配置20000r/min大功率電主軸,A、C軸采用直驅形式傳動,高速、高響應、無背隙,最高轉速可達60r/min。擺頭A、C軸標配圓光柵,定位精度小于10″。配置五軸防撞功能,反應時間小于10ms,可對刀具、工件及設備形成有效保護。

 

二、機械五軸頭(主機不配機械主軸)

 

機械五軸頭主要指轉位機構采用機械傳動,銑頭配置機械主軸,這種結構A/C軸轉動速度較慢,不可聯動加工,只能旋轉到固定角度,通過牙盤定位后進行定角度加工。機械五軸頭的加工效率不如直驅五軸頭,但往往在可靠性和同體積輸出扭矩上占優。機械五軸銑頭結構復雜,轉位機構有齒輪傳動、伺服電機加皮帶傳動、蝸輪蝸桿傳動、凸輪蝸桿傳動等種類。

 

機械五軸頭在機床上的應用,筆者又將其分為兩大類,這里先介紹第一類,空腔滑枕直聯機械五軸頭:這種機床本身沒有主軸,滑枕空腔內部設有大拉爪結構,用于自動抓取銑頭,或者銑頭手動固定在滑枕底部,銑頭的主軸相當于機床主軸。這種結構的機床可配置一種或多種銑頭,如只配制一個五軸頭,那這個五軸頭長期安裝在滑枕上,除維修外不再拆下來;如果機床配置多個銑頭,可通過更換不同銑頭實現不同加工功能,比如大隈機床,滑枕通過大拉爪結構抓取延伸頭,就相當于滑枕安裝了機械主軸。

 

1. 西班牙尼古拉斯克雷亞

 

展出的立式五軸頭和臥式五軸頭,主軸最大轉速有600010000r/min兩種規格,最大扭矩可達840/990Nm,最大功率24/33kW。尼古拉斯五軸頭的一大優勢是可做到自動微分度,A/C兩軸采用端齒盤錯齒分度,最小分度可達0.02°。

2.日本大隈機床公司

 

展出的MCR-BV機床上安裝一款BC軸萬向分度頭,此銑頭采用音叉式結構,主軸最大功率15kW,最大轉速有20006000r/min兩種,B/C軸最小分度都可達到1o,是一種既傳統又經典的結構。作為機械主軸輸出的萬向頭,主軸轉速能做到6000r/min,業內少有。

3. 北京北一機床股份有限公司

 

展出的是一款機械傳動結構的五軸頭,主軸最大功率40kW,主軸最高轉速3000r/min,擺動最高速度6r/min,擺動進給最大扭矩7500Nm。擺頭擺動進給由單獨的交流伺服電機經幾組消隙齒輪傳遞到擺動軸,可以做到無間隙傳動,傳動精度高。五軸頭具有高剛性、高負載、高轉速、大扭矩的特點,適用于鈦合金、高強度材料的五軸切削加工。

三、機械五軸頭(主機可配機械主軸)

 

機械五軸頭在機床上的應用,筆者歸納的第二大類,是機床滑枕自帶主軸,在不帶銑頭的時候是普通的三軸機床,加配銑頭后,系統開通五軸功能,即可實現五軸加工。此時的五軸頭是外掛式,通過若干小油缸拉緊至滑枕端面,通過C軸端齒盤定位。這種結構的設計,使整體主機的可靠性更高,畢竟銑頭維修不會影響主機的三軸使用,但因為滑枕不是空腔設計,銑頭的C軸轉位就要放在銑頭的上部,不能藏身于滑枕內部,所以第二類同體型的機械五軸頭,較前面介紹的第一類機械五軸頭的輸出功率和扭矩都偏小。

 

1. 寧波海天精工股份有限公司

 展出的是一款新品偏置式機械五軸頭,整體外觀精巧,轉動平穩,最大功率15kW,最大扭矩600Nm,主軸最大轉速4000r/min,采用油氣潤滑,自動換頭、自動分度、自動定位、自動松拉刀,可選配中心出水功能,A/C軸采用端齒盤定位,最小分度精度1°。該機械五軸頭適用于多種材料的半精加工和精加工。此五軸頭A軸可做微分度結構,最小分度可達0.01°,大幅拓寬了此銑頭的工藝加工范圍。

2.臺灣巍立

 

展出了一款偏置式機械五軸頭,主軸功率15/20kW,主軸最大轉速3000r/min,A/C軸最小分度1o。

    

3.臺灣吉輔

 

展臺上擺放了一款偏置式全自動萬能頭,此銑頭主軸最大扭矩1000Nm,最高轉速3000r/min,C軸自動分度角度5°,A軸自動分度角度2.5°,可自動松拉刀,齒輪采用油脂潤滑。

4. 常州市銘源精密傳動技術有限公司

 

同樣展出了一款偏置式全自動萬能頭,該銑頭最大扭矩1200Nm,主軸最大轉速2000r/min,齒輪油脂潤滑,A/C軸自動分度,最小分度2.5°,自動松拉刀。

咨詢進口五軸加工中心,請聯系“010-51663392”


四、結束語

 

本文側重點集中在本次展會展出的部分電主軸直驅五軸頭和機械五軸頭,相對于往屆展會五軸頭產品大多集中在進口設備上,本次展會展出的國產五軸頭在種類和數量上呈現出與進口五軸頭分庭抗禮的形勢,濟二、北一、天瑞精工、海天精工、臺灣巍立、臺灣吉輔、銘源等多家機床廠和銑頭專營廠家提供了自己的五軸頭產品,其中天瑞精工的兩款聯動五軸頭,海天精工、臺灣吉輔、銘源三家各自的偏置式機械五軸頭都屬新品。

 

五軸加工中心已成為先進制造技術中的一項重點裝備,五軸銑頭也是機床制造業一個重要的高端配件,加速推進五軸銑頭的研發與制造是解決機床制造業可持續發展的一個關鍵。國內越來越多有實力的機床企業開始大力研發制造功能部件產品,從自動直角頭到機械五軸頭、直驅五軸頭,再到高性能電主軸、數控轉臺等關鍵功能部件,逐步擺脫了高端功能部件只能依賴進口的尷尬局面。

 

通過長時間的驗證和改進,國產銑頭產品的精度和可靠性已逐步貼近進口產品,且國產銑頭在售價上占有巨大優勢。相信通過國內機床工具企業的共同努力,銑頭產品質量會越做越好,應用領域將越拓越寬。

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