五軸聯(lián)動數(shù)控技術的加工案例分析

摘 要：隨著時代的發(fā)展和社會經(jīng)濟的進步，如今機械制造技術日趨成熟，人們對產(chǎn)品提出了更高的要求，產(chǎn)品形狀結構日趨多樣，越來越精密；采用傳統(tǒng)的制造技術無法獲得較高的工作效率，并且加工質量也無法得到保證。針對這種問題，就可以應用多軸數(shù)控加工技術。本文以某轎車模型為例，分析了五軸聯(lián)動數(shù)控技術的應用，希望可以提供一些有價值的參考意見。

關鍵詞：五軸聯(lián)動數(shù)控技術；加工案例；分析

如今在各個領域內的產(chǎn)品往往有著十分復雜的形狀和結構，比如航空、航天產(chǎn)品等，這是由力學性能要求所決定的；另外，在民用產(chǎn)品方面，比如玩具、裝飾品等，也有著十分怪異的形態(tài)，這是因為人們的需求逐漸趨向個性化，這樣就可以在各個領域內有效應用多軸數(shù)控加工技術。相較于傳統(tǒng)的加工技術，本技術有著很大的優(yōu)勢，裝卡一次，就可以對復雜零件的多個表面進行加工，不僅可以擁有較高的精度，效率也很高。

1.多軸數(shù)控機床概述

五軸聯(lián)動機床是多軸機床中非常有典型的代表，它可以對任意復雜曲面的零件進行加工。通過大力研究五軸聯(lián)動機床的結構模型，可以對機床的運動原理深入理解，結合具體的機床情況，來對后處理程序進行科學的編制，以此來更好的對產(chǎn)品進行加工。

具體來講，五軸聯(lián)動機床的組成可以分為回轉軸和平動軸，前者有兩個，后者有三個。又可以將其分為三種形式，分別為刀具雙擺動、工作臺雙旋轉以及兩者共同擺動和旋轉，這種劃分的依據(jù)是旋轉軸具體結構的差異。定向軸指的是旋轉軸法向矢量固定的軸，那么矢量會出現(xiàn)改變的軸就為變向軸。五軸機床可以進行刀具雙擺動，那么對于大型零件的復雜曲面都可以進行加工，這樣擁有的性能就比較的優(yōu)良。

2.五軸加工的程序編制

相較于三軸加工，五軸加工具有一系列的不同，在過去三軸加工的條件下，工件坐標系中，有著固定的刀具軸線， 而在如今五軸加工的條件下，可以結合具體情況來改變刀具軸線。在控制刀具軸線的時候，需要保證加工質量，提高切削效率。那么，我們就可以了解到優(yōu)化刀具姿態(tài)就是五軸加工的關鍵。一般有三種刀具軸線控制方式經(jīng)常會被用到，分別是與加工表面平行、垂直以及傾斜。在五軸加工中，最經(jīng)常用到的控制方法其實還是傾斜于加工表面，在一些特殊情況下，會用到與加工表面平行和垂直的方式。加工的曲面如果比較復雜，為了避免有刀具、工件以及夾具等干涉問題的出現(xiàn)，往往會對角度進行改變，并且對數(shù)控程序進行優(yōu)化。

一般按照這樣的步驟來編制五軸程序：一是結合模型來對切削策略進行定義，在多軸加工中，比較經(jīng)常用到的方式是可變軸輪廓銑，將驅動點合理生成于驅動幾何體上，然后沿著設定的矢量向零件模型上映射驅動點，這樣刀位軌跡就可以自動生成。我們在對刀位軌跡生成質量進行判斷時，主要依據(jù)的是刀位軌跡的長度來進行，同時，還需要將刀軸的方向變化情況充分納入考慮范圍。

二是刀軸控制方式：刀軸控制方式切削加工，相較于三軸固定輪廓銑，本方法可以自由控制刀具軸線矢量?？梢越Y合具體情況來對驅動方法進行選擇，不僅可以從面進行，還可以從點和線來進行，不管采用哪種驅動方法，都需要不能太過急促的改變刀具軸線，否則就會對切削載荷產(chǎn)生影響。

三是合理選擇切削參數(shù)：在選擇切削參數(shù)的時候，需要綜合考慮，將加工系統(tǒng)中的每一個因素充分納入考慮范圍，其中，影響最大的方面是刀具和工件。首先要確定加工對象，對加工對象的大小以及工件形狀等進行分析，然后依據(jù)選用的刀具，對切削參數(shù)等進行合理選擇，比如刀具材料、直徑等，之后還需要對其他的各種參數(shù)進行深入選擇，比如機床轉速、刀具切深等等。

3.五軸聯(lián)動數(shù)控技術的加工案例

在本加工案例中，選擇的是某種小轎車的汽車模型，經(jīng)過一次裝卡，加工全部完成。具體來講，從這些方面來進行分析：

本小轎車的尺寸為450mm×290mm×220mm，加工曲面比較的復雜，將代木設置為加工材料。在本轎車模型的加工中，主要需要注意這些方面，首先是如何更好的控制五軸聯(lián)動數(shù)控機床加工中的刀軸，如何保證那些非連續(xù)復雜曲面的加工精度；其次，采用合理方法來制作驅動曲面，生成五軸聯(lián)動以及固定五軸的加工程序。在本次加工中，選用的是我國某公司自主研發(fā)和生產(chǎn)出來的五軸聯(lián)動數(shù)控機床，本汽車模型有著較為復雜的加工曲面，還需要加工一些倒扣面，可以將五軸聯(lián)動加工技術的特點充分體現(xiàn)出來。如果采用三軸數(shù)控機床，是無法滿足使用需求的。在數(shù)控系統(tǒng)方面，依然選用我國某公司自主研發(fā)和生產(chǎn)的高檔網(wǎng)絡數(shù)控系統(tǒng)，可以非常有效的控制多軸聯(lián)動機床。并且，選用的本網(wǎng)絡數(shù)控技術對多軸聯(lián)動加工的關鍵性控制技術也進行了改進，可以更好的擴展控制軸，系統(tǒng)對皮米插補功能以及其他的補償功能也進行了改進；此外，本系統(tǒng)還具有其他的一系列功能，比如在加工過程中，可以對擺軸長度進行合理設定；可以進行前瞻控制；另外，本數(shù)控系統(tǒng)還結合了windows系統(tǒng)，這樣數(shù)控系統(tǒng)的專用性才可以得到提高。同時，更好的設計了軟件的界面，可以對五軸加工過程進行更好的模擬顯示。在卡具選用方面，也需要引起人們的重視，特別是工件的裝卡位置，選擇對了位置，才可以促使操作人員更好的裝卡。我們在裝卡的時候，選擇的是強力拉緊螺釘，這樣在專用卡具上就可以牢牢的固定小轎車，可以更加可靠的進行加工。

合理選用加工刀具以及刀柄，在本加工案例中，通過對汽車模型加工要素和加工精度等進行綜合分析，需要用3把刀具完成加工。分別選用r4圓角的Φ16立銑刀；Φ6整體硬質合金球刀；Φ10r1的整體硬質合金銑刀。刀柄選用熱膨脹結構刀柄，夾持刀具就可以更加的精準，保證在高速旋轉時刀具的動平衡，并且回轉精度也不會受到影響。這樣，切削加工的精度就可以得到顯著提高，獲得更加好的工件表面，并且在切削過程中，刀具的受力狀態(tài)也可以得到顯著改善。

在CAM軟件中后置設置方面：一是制作驅動曲面，上文我們已經(jīng)提到，在多軸編程中，首先是依據(jù)相關策略，促使驅動點合理生成于驅動曲面，然后采取合理的投影方法，向被加工的工件表面上投影這些生成的驅動點，依據(jù)某些規(guī)則來促使刀具路徑自動生成。在多軸加工中，可以結合具體情況來改變刀軸的軸線方向，這樣就可以有效加工復雜曲面。我們需要注意的是，被加工曲面的加工效率以及精度等都會受到驅動曲面的影響，因此，一定要科學合理的制作驅動曲面，盡量制作的簡單一些，不能過于復雜。

二是編制數(shù)控加工程序：首先是編制粗加工程序，利用加工模塊中的固定五軸來編程小汽車模型，促使工具加工可以從各個方向來進行，并且完成了粗加工之后，可以取出小轎車的大面積材料。其次，編制半精加工程序，我們在半精加工小轎車時，采用的是多軸加工—連續(xù)五軸，將工件的殘留量給去除掉。然后是編制精加工程序，在精加工小轎車各個區(qū)域時，我們采用的是Φ6球刀，這樣不僅加工精度可以得到保證，還可以有效提高加工效率和加工質量。然后我們結合具體的操作要求，來對驅動曲面的驅動方向、參數(shù)以及其他的各個方面進行合理設置，比如切削方式、切削參數(shù)、非切削參數(shù)等等。其他的參數(shù)則是依據(jù)相關的規(guī)定，來對加工程序進行合理編制。一般來講，在五軸聯(lián)動的編程中，很難采用手工編程的方式需要大量的數(shù)學計算，借助專業(yè)的軟件來進行自動編程。最后，在編制多軸程序時，非常重要的一個方面就是控制刀軸，同時，這樣方面也存在著較大的難度，它會對工件加工的精度以及質量等諸多方面產(chǎn)生直接影響，因此需要引起人們足夠的重視。在本加工案例中，刀軸的變化主要是利用驅動曲面來實現(xiàn)的。

在建造多軸后置處理方面，后置處理有著十分大的作用，因為我們采用的CAM軟件在計算工件的刀具路徑時，并沒有考慮工件的變化，結合工件上等待加工的空間點，來在工件上轉動刀具。在后置處理時，結合機床結構以及具體的運動關系，來對刀具路徑進行數(shù)據(jù)轉換，之后將其轉換為相應的合適的程序代碼。要想進行多軸程序的后置處理，就需要構造一個后置處理，保證構造的這個后置處理和數(shù)控機床有著相同的結構，并且和數(shù)控系統(tǒng)的指令格式以及運行特點等也是符合的。那么，在構造后置處理時，需要對數(shù)控機床的結構充分了解，并且將數(shù)控系統(tǒng)的運行特點以及指令格式等充分納入考慮范圍，，完成構造之后，將其合理保存。通過自動編程將刀位程序編制好之后，需要進行轉換，一般將其轉換為標準G代碼，這樣才可以被數(shù)控機床所讀取。這些工序完成之后，就需要校驗這些程序，因為本系統(tǒng)具有模擬顯示的功能，那么就可以在軟件中建立一個五軸聯(lián)動數(shù)控機床，它和實際結構有著相同的轉臺，其他方面也都是相同的，按照實際的位置將汽車模型放進去，就可以進行模擬加工。

機床實際加工：在轉臺上合理安裝夾具，轉臺的旋轉中心和夾具的回轉中心重合，然后在夾具上安裝汽車毛胚。結合編程時確定下來的加工原點，來設定刀具，然后就可以進行機床的操作。不管是粗加工，還是精加工，都需要嚴格依據(jù)確定下來的工藝參數(shù)來進行。在加工過程中，連續(xù)擺動擺動軸，控制其擺動范圍，同時，轉動回轉軸，配合直線軸，來對那些倒扣的曲面進行加工。

4.結語

通過上文的敘述分析我們可以得知，如今的產(chǎn)品有著越來越復雜的結構和外型，人們個性化審美的發(fā)展，對產(chǎn)品加工精度和加工質量提出了更高的要求。對于一些復雜曲面的加工，采用過去那種三軸聯(lián)動數(shù)控技術已經(jīng)無法滿足需求，針對這種情況，就可以采用五軸聯(lián)動數(shù)控技術；通過大量的實踐研究表明，采用五軸聯(lián)動數(shù)控技術，可以結合產(chǎn)品的具體情況，對刀軸進行合理控制，還可以進行一些倒扣曲面的加工，這樣就可以有效提高產(chǎn)品的加工質量和加工精度。本文以某小轎車為例，分析了五軸聯(lián)動數(shù)控技術的應用，希望可以提供一些有價值的參考意見。

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作者簡介：

邢美峰（1973—），男，民族：蒙，籍貫：內蒙古，學歷：大學本科，職稱：講師，研究方向：機電一體化，數(shù)控加工。