從CIMT2021看五軸頭的技術(shù)發(fā)展

趙巖

（寧波海天精工股份有限公司）

2021年4月12-17日，由中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)主辦的CIMT2021在北京成功舉辦。作為本年度國(guó)內(nèi)舉辦的規(guī)模Z大、品牌知名度Z高的機(jī)床工具盛會(huì)，吸引了境內(nèi)外知名企業(yè)爭(zhēng)相在這個(gè)全球業(yè)界四大知名展會(huì)之一的平臺(tái)上展示自己的技術(shù)水平和服務(wù)實(shí)力。作為后疫情時(shí)期首個(gè)開(kāi)幕的全球知名機(jī)床工具展，CIMT2021吸引了20余萬(wàn)人到場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)人流如織。

五軸頭是數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，代表著機(jī)床Z主要的核心技術(shù)之一，它能夠擴(kuò)展傳統(tǒng)機(jī)床的加工形式和加工自由度，實(shí)現(xiàn)機(jī)床功能的多樣化，能大幅度提升機(jī)床的加工范圍，使用戶(hù)企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力和附加值的Z大化。CIMT2021展會(huì)上，境內(nèi)外企業(yè)展出了品種繁多、外觀精美的五軸頭產(chǎn)品，筆者就其中部分五軸頭產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)述，不到之處，請(qǐng)同行斧正。

一、電主軸五軸頭

五軸聯(lián)動(dòng)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(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床的需求越來(lái)越大。采用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)A/C軸的五軸頭可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)加工，采用大功率高速電主軸可實(shí)現(xiàn)高速高精加工。

對(duì)于雙軸（A/C軸）采用力矩電機(jī)直驅(qū)的AC擺頭，有單擺和雙擺兩種形式。單擺式的只有一邊設(shè)有力矩電機(jī)，A軸驅(qū)動(dòng)力較同規(guī)格雙擺式的小。雙擺式是A軸兩側(cè)都有力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，相對(duì)單擺式A軸驅(qū)動(dòng)力大，并且A軸對(duì)稱(chēng)式設(shè)計(jì)，擺頭重心與C軸旋轉(zhuǎn)中心重合，轉(zhuǎn)位具有更好的穩(wěn)定性。

1. 濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司

濟(jì)南二機(jī)床展出的4個(gè)五軸頭在跑和臺(tái)上各自做著A/C軸擺動(dòng)動(dòng)作，給觀眾帶來(lái)視覺(jué)沖擊，非常吸引眼球。

上圖中從左到右的4個(gè)五軸頭分別是通用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)A/C雙擺角銑頭、機(jī)械主軸式A/C雙擺角銑頭、力矩電機(jī)直驅(qū)A/C雙擺角銑頭、力矩電機(jī)直驅(qū)偏置A/C雙擺角銑頭。大功率大扭矩的加工優(yōu)選機(jī)械主軸式A/C雙擺頭和通用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)A/C雙擺角銑頭，機(jī)械主軸式A/C雙擺頭的A/C軸驅(qū)動(dòng)扭矩可達(dá)4000-8700Nm，主軸扭矩Z大可達(dá)3070Nm，機(jī)械主軸轉(zhuǎn)速5000r/min，適合強(qiáng)力切削；通用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)A/C雙擺角銑頭A/C軸驅(qū)動(dòng)扭矩1200Nm，主軸功率40-80kW，主軸Z高轉(zhuǎn)速30000r/min，適用于有色金屬、復(fù)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(jī)直驅(qū)A/C雙擺角銑頭和力矩電機(jī)直驅(qū)偏置A/C雙擺角銑頭為優(yōu)選，力矩電機(jī)直驅(qū)A/C雙擺角銑頭A/C軸驅(qū)動(dòng)扭矩1500Nm，主軸功率37-80kW，主軸Z高轉(zhuǎn)速30000r/min，A/C軸工作旋轉(zhuǎn)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(jī)直驅(qū)偏置A/C雙擺角銑頭A/C軸驅(qū)動(dòng)扭矩800-1200Nm，主軸功率25-40kW，主軸Z高轉(zhuǎn)速24000r/min，A/C軸工作旋轉(zhuǎn)速度60r/min，適用于汽車(chē)外板模具、玻璃鋼及碳纖維等復(fù)合材料的精加工。

濟(jì)南二機(jī)床的五軸頭，按不同應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)成4個(gè)具有代表性的產(chǎn)品，加工范圍覆蓋了大部分機(jī)加工行業(yè)產(chǎn)品。

2. 山東威達(dá)重工股份有限公司

展出的GMC2232bu五軸橋式高速龍門(mén)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(jī)直驅(qū)，主軸功率50/67.5kW，主軸Z大輸出扭矩90/120Nm，A/C軸加持力矩都達(dá)到4000Nm，A軸定位精度6〞，C軸定位精度8〞，A/C軸搖擺Z大速度30r/min。這種直驅(qū)五軸頭，既可五軸聯(lián)動(dòng)加工，也可擺角到位后通過(guò)液壓夾緊實(shí)現(xiàn)定角度大扭矩加工。

3. 寧波天瑞精工機(jī)械有限公司

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(qū)形式傳動(dòng)，高速、高響應(yīng)、無(wú)背隙，Z高轉(zhuǎn)速可達(dá)60r/min。擺頭A、C軸標(biāo)配圓光柵，定位精度小于10″。配置五軸防撞功能，反應(yīng)時(shí)間小于10ms，可對(duì)刀具、工件及設(shè)備形成有效保護(hù)。

二、機(jī)械五軸頭（主機(jī)不配機(jī)械主軸）

機(jī)械五軸頭主要指轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)采用機(jī)械傳動(dòng)，銑頭配置機(jī)械主軸，這種結(jié)構(gòu)A/C軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度較慢，不可聯(lián)動(dòng)加工，只能旋轉(zhuǎn)到固定角度，通過(guò)牙盤(pán)定位后進(jìn)行定角度加工。機(jī)械五軸頭的加工效率不如直驅(qū)五軸頭，但往往在可靠性和同體積輸出扭矩上占優(yōu)。機(jī)械五軸銑頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、伺服電機(jī)加皮帶傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、凸輪蝸桿傳動(dòng)等種類(lèi)。

機(jī)械五軸頭在機(jī)床上的應(yīng)用，筆者又將其分為兩大類(lèi)，這里先介紹類(lèi)，空腔滑枕直聯(lián)機(jī)械五軸頭：這種機(jī)床本身沒(méi)有主軸，滑枕空腔內(nèi)部設(shè)有大拉爪結(jié)構(gòu)，用于自動(dòng)抓取銑頭，或者銑頭手動(dòng)固定在滑枕底部，銑頭的主軸相當(dāng)于機(jī)床主軸。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床可配置一種或多種銑頭，如只配制一個(gè)五軸頭，那這個(gè)五軸頭長(zhǎng)期安裝在滑枕上，除維修外不再拆下來(lái)；如果機(jī)床配置多個(gè)銑頭，可通過(guò)更換不同銑頭實(shí)現(xiàn)不同加工功能，比如大隈機(jī)床，滑枕通過(guò)大拉爪結(jié)構(gòu)抓取延伸頭，就相當(dāng)于滑枕安裝了機(jī)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Z大轉(zhuǎn)速有6000和10000r/min兩種規(guī)格，Z大扭矩可達(dá)840/990Nm，Z大功率24/33kW。尼古拉斯五軸頭的一大優(yōu)勢(shì)是可做到自動(dòng)微分度，A/C兩軸采用端齒盤(pán)錯(cuò)齒分度，Z小分度可達(dá)0.02°。

2.日本大隈機(jī)床公司

展出的MCR-BV機(jī)床上安裝一款BC軸萬(wàn)向分度頭，此銑頭采用音叉式結(jié)構(gòu)，主軸Z大功率15kW，Z大轉(zhuǎn)速有2000和6000r/min兩種，B/C軸Z小分度都可達(dá)到1º，是一種既傳統(tǒng)又經(jīng)典的結(jié)構(gòu)。作為機(jī)械主軸輸出的萬(wàn)向頭，主軸轉(zhuǎn)速能做到6000r/min，業(yè)內(nèi)少有。

3. 北京北一機(jī)床股份有限公司

展出的是一款機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的五軸頭，主軸Z大功率40kW，主軸Z高轉(zhuǎn)速3000r/min，擺動(dòng)Z高速度6r/min，擺動(dòng)進(jìn)給Z大扭矩7500Nm。擺頭擺動(dòng)進(jìn)給由單獨(dú)的交流伺服電機(jī)經(jīng)幾組消隙齒輪傳遞到擺動(dòng)軸，可以做到無(wú)間隙傳動(dòng)，傳動(dòng)精度高。五軸頭具有高剛性、高負(fù)載、高轉(zhuǎn)速、大扭矩的特點(diǎn)，適用于鈦合金、高強(qiáng)度材料的五軸切削加工。

三、機(jī)械五軸頭（主機(jī)可配機(jī)械主軸）

機(jī)械五軸頭在機(jī)床上的應(yīng)用，筆者歸納的第二大類(lèi)，是機(jī)床滑枕自帶主軸，在不帶銑頭的時(shí)候是普通的三軸機(jī)床，加配銑頭后，系統(tǒng)開(kāi)通五軸功能，即可實(shí)現(xiàn)五軸加工。此時(shí)的五軸頭是外掛式，通過(guò)若干小油缸拉緊至滑枕端面，通過(guò)C軸端齒盤(pán)定位。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使整體主機(jī)的可靠性更高，畢竟銑頭維修不會(huì)影響主機(jī)的三軸使用，但因?yàn)榛聿皇强涨辉O(shè)計(jì)，銑頭的C軸轉(zhuǎn)位就要放在銑頭的上部，不能藏身于滑枕內(nèi)部，所以第二類(lèi)同體型的機(jī)械五軸頭，較前面介紹的類(lèi)機(jī)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(jī)械五軸頭，整體外觀精巧，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，Z大功率15kW，Z大扭矩600Nm，主軸Z大轉(zhuǎn)速4000r/min，采用油氣潤(rùn)滑，自動(dòng)換頭、自動(dòng)分度、自動(dòng)定位、自動(dòng)松拉刀，可選配中心出水功能，A/C軸采用端齒盤(pán)定位，Z小分度精度1°。該機(jī)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(jié)構(gòu)，Z小分度可達(dá)0.01°，大幅拓寬了此銑頭的工藝加工范圍。

2.臺(tái)灣葳立

展出了一款偏置式機(jī)械五軸頭，主軸功率15/20kW，主軸Z大轉(zhuǎn)速3000r/min，A/C軸Z小分度1º。

3.臺(tái)灣吉輔

展臺(tái)上擺放了一款偏置式全自動(dòng)萬(wàn)能頭，此銑頭主軸Z大扭矩1000Nm，Z高轉(zhuǎn)速3000r/min，C軸自動(dòng)分度角度5°，A軸自動(dòng)分度角度2.5°，可自動(dòng)松拉刀，齒輪采用油脂潤(rùn)滑。

4. 常州市銘源精密傳動(dòng)技術(shù)有限公司

同樣展出了一款偏置式全自動(dòng)萬(wàn)能頭，該銑頭Z大扭矩1200Nm，主軸Z大轉(zhuǎn)速2000r/min，齒輪油脂潤(rùn)滑，A/C軸自動(dòng)分度，Z小分度2.5°，自動(dòng)松拉刀。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文側(cè)重點(diǎn)集中在本次展會(huì)展出的部分電主軸直驅(qū)五軸頭和機(jī)械五軸頭，相對(duì)于往屆展會(huì)五軸頭產(chǎn)品大多集中在進(jìn)口設(shè)備上，本次展會(huì)展出的國(guó)產(chǎn)五軸頭在種類(lèi)和數(shù)量上呈現(xiàn)出與進(jìn)口五軸頭分庭抗禮的形勢(shì)，濟(jì)二、北一、天瑞精工、海天精工、臺(tái)灣巍立、臺(tái)灣吉輔、銘源等多家機(jī)床廠和銑頭專(zhuān)營(yíng)廠家提供了自己的五軸頭產(chǎn)品，其中天瑞精工的兩款聯(lián)動(dòng)五軸頭，海天精工、臺(tái)灣吉輔、銘源三家各自的偏置式機(jī)械?軸頭都屬新品。

五軸加工中心已成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)重點(diǎn)裝備，五軸銑頭也是機(jī)床制造業(yè)一個(gè)重要的高端配件，加速推進(jìn)五軸銑頭的研發(fā)與制造是解決機(jī)床制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)越來(lái)越多有實(shí)力的機(jī)床企業(yè)開(kāi)始大力研發(fā)制造功能部件產(chǎn)品，從自動(dòng)直角頭到機(jī)械五軸頭、直驅(qū)五軸頭，再到高性能電主軸、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)等關(guān)鍵功能部件，逐步擺脫了高端功能部件只能依賴(lài)進(jìn)口的尷尬局面。

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證和改進(jìn)，國(guó)產(chǎn)銑頭產(chǎn)品的精度和可靠性已逐步貼近進(jìn)口產(chǎn)品，且國(guó)產(chǎn)銑頭在售價(jià)上占有巨大優(yōu)勢(shì)。相信通過(guò)國(guó)內(nèi)機(jī)床工具企業(yè)的共同努力，銑頭產(chǎn)品質(zhì)量會(huì)越做越好，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃酵卦綄挕?/p>

（來(lái)源：中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)cmtba）