桥式五轴联动龙门加工中心及五轴联动铣头的应用

■ 汉川数控机床股份公司 （陕西汉中 723003） 念 勇 张海亮 苗 宁 伏艳梅

1. 桥式五轴联动龙门加工中心

该机床为六轴五联动龙门式数控机床，如图1所示，机床整体布局采用高架桥式结构，使重型机床的3个主运动部件都处于质量最轻、驱动力最小和动态伺服响应更快的有利条件。承载横梁运动的床身及大型工件的落地式工作台结合为一体，不但整体结构紧凑、空间利用率高，而且利于机床的刚性、精度的提高和安装、运输的便利。大跨距横梁的导向支撑采用双边单根高强度导轨配置多滑块设计，避免了大行程运动导向部件的过定位及基础大件的高精度加工要求。用于大行程驱动的齿轮、齿条消隙齿轮箱传动技术，使最小化理论行程在机械结构运动上都能得到实现。利用数控系统的双驱动双反馈“龙门轴”功能，解决了大跨距桥式龙门双边驱动满足高精度定位及伺服响应的同步性难题。配置高精度的五轴联动铣头，解决了大型工件在空间曲线及复杂曲面的加工难题。主轴采用高速双摆头，可实现五轴联动下的高性能铣削和高速精加工。主轴转速高、精度高且精度保持性好，油、汽润滑，强制循环冷却。

机床采用工作台固定、横梁在两个高架床身上前后移动的结构。工作台床身直接固定在地基上，主轴箱、横梁等与龙门框联为整体，整体框架在工作台两侧的床身上运动。电柜、液压站等固定在横梁顶面上，局域防护，自动排屑。工作台两侧各安置1床身。每个床身上安装1条进口高精度机床专用直线滚动导轨和齿轮齿条传动，更适合高速进给和超大、超重零件的加工。机床在设计过程中采用先进的设计理念，利用有限元法进行力学分析，合理布筋，合理分布质量，使机床整体刚性强，静态精度和动态性能稳定可靠。机床模块化程度高，零部件通用性强，全闭环控制，性能优良。

2. 五轴联动铣头

图1 HBMC1540F5桥式五轴联动龙门加工中心

五轴联动铣头（见图2）主轴前端是一个回转头，能自行围绕Z轴旋转360°，称为C轴，回转头上还带有可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90°以上，采用叉形摆动结构，A、C轴全闭环伺服控制。铣头壳体采用优质、高刚性球墨铸铁，保证了大转矩切削和精度稳定性。配置高速精密主轴，主轴具有刀具内冷、外冷功能。能实现轴承温度在线检测与补偿，利用系统RTCP补偿功能，无需后置处理，真正实现五轴刀具路径控制和简化编程功能。A、C轴通过高精密消隙齿轮结构实现精密传动，由交流伺服电动机驱动，实现五轴连续插补加工。选用高分辨角度编码器，完成A、C轴全闭环定位控制。采用高性能液压夹紧装置，保证A、C轴在任意孔距位置的可靠锁定。性能可靠、调试维护保养容易，满足了高速、精密五轴联动插补加工要求。

由于是由铣头执行两个回转运动，回转部件体积相对较小，工作台可以较大，因此加工范围大、加工空间大。工件1次装夹不仅可以完成五面体的加工，还可以对复杂的空间曲面进行高精度的加工，更能够适合越来越复杂的高档、先进模具的加工以及汽车零部件、飞机结构件等精密复杂零件的加工。目前，该铣头广泛应用于各类龙门式、桥式、卧式和立式等数控加工中心的功能拓展和产品技术升级以及车铣复合等多功能复合机床。主要用于航空航天、发电、船舶及军工等我国重点产业建设领域。

3. 五轴联动加工的特点

五轴联动加工是指在1台机床上至少有5个坐标轴（3个直线坐标和2个旋转坐标）可在计算机数控（CNC）系统的控制下同时协调运动进行加工。工件1次装夹即可完成五面体的加工，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工。以立式五轴联动铣头为例，主轴前端是一个回转头，为C轴，回转头上可环绕X轴旋转的A轴，可实现五轴联动加工的功能。这种设计的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计得非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计最大的优点，也是五轴加工相对于三轴、四轴加工最显著的特点，在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，三轴、四轴加工由于球面铣刀的顶点线速度为0，顶点切出的工件表面质量会很差，而采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证加工时有一定的线速度，就可以得到很好的表面粗糙度值，提高表面加工质量。HGM2560F5五轴联动龙门式数控铣床加工现场如图3所示。

图3 HGM2560F5五轴联动龙门式数控铣床加工现场

4. 结语

桥式五轴联动龙门加工中心主要应用于汽车工业中的模具制造、原型制造、大型钢模和铸铁模具的制造以及航空航天工业中的复杂零件加工、铝及其合金加工和难加工材料的加工。零件1次装夹后，即能完成多种工序的五面加工和多种空间方向的铣削加工，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工。是加工要求较高、形状复杂零件和模具行业、航空航天工业等行业的理想设备。

[1] 李树明，高东强．数控机床加工编程技术[M]．陕西：陕西人民出版社，2002．