五軸加工技術(shù)探討

杜兆君

摘?要：五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是一種科技含量高、精密度高，專門用于加工復(fù)雜曲面的機(jī)床，在航空、高精醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)有廣泛應(yīng)用。本文在此對(duì)五軸加工技術(shù)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床?加工方式?加工工藝?注意事項(xiàng)

隨著社會(huì)的發(fā)展，制造業(yè)者對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量和效率提出更高的要求，由此催生了多軸加工技術(shù)。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是一種科技含量高、精密度高，專門用于加工復(fù)雜曲面的機(jī)床。傳統(tǒng)的三軸加工機(jī)床只有3個(gè)正交的X、Y、Z軸，刀具只能沿著此三軸做線性平移，加工工件的幾何形狀有所限制，因此必須增加軸數(shù)來(lái)獲得加工的自由度，最典型的就是增加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，成為五軸加工機(jī)床。如：帶有相同凸曲線的復(fù)雜曲面加工通常采用三軸加工，但對(duì)于深凹槽或頻繁改變曲率的情況來(lái)說(shuō)，則需要使用五軸加工。

一、五軸加工方式

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床按照聯(lián)動(dòng)軸數(shù)的不同，可以分為3+2、4+1、5軸聯(lián)動(dòng)加工方式。

1.3+2軸加工方式

3+2就是在五軸加工的時(shí)候用旋轉(zhuǎn)軸確定刀具的向量姿態(tài)，然后用3個(gè)直線軸做三軸聯(lián)動(dòng)加工的方式。這種方式可使通常需要多次單獨(dú)三軸加工才能完成加工的零件，僅通過(guò)一次裝夾即可完成全部加工。使用這種方法可直接加工零件的底切特征，較刀具最大長(zhǎng)度深的零件的側(cè)壁如箱體零件，以及模具加工。使用3+2方式進(jìn)行加工首先要建立局部坐標(biāo)系，機(jī)床通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸來(lái)進(jìn)行定位加工。其他如在多個(gè)面上鉆孔也可采用3+2方式。這種方式編程簡(jiǎn)單，機(jī)床損耗?。ㄐD(zhuǎn)軸的壽命相對(duì)直線軸低，所以盡量少轉(zhuǎn)），缺點(diǎn)是即使精度很高的機(jī)床，3+2的方式也能看到兩個(gè)向量之間的加工界限，如果精度稍差的機(jī)床，3+2就可能做出“臺(tái)階”來(lái)，而五軸聯(lián)動(dòng)不會(huì)。

2.4+1軸加工方式

4+1軸加工是指在五軸數(shù)控機(jī)床上，一根旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸固定位在一個(gè)固定角度，其余三根直線運(yùn)動(dòng)軸和一根旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸同時(shí)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)的一種加工方式。這種加工方式一般用于軸類零件及接近回轉(zhuǎn)體零件的加工，在保證刀具不干涉的情況下使用4+1軸加工可以提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)時(shí)間。

3.5軸聯(lián)動(dòng)加工方式

5軸聯(lián)動(dòng)也叫連續(xù)五軸加工，是指五根運(yùn)動(dòng)軸同時(shí)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，就是控制進(jìn)給軸X、Y、Z以及旋轉(zhuǎn)軸比如A、B，同時(shí)對(duì)零件進(jìn)行加工的一種方式。5軸聯(lián)動(dòng)在沿著整個(gè)路徑運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可對(duì)刀具方向進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)進(jìn)行刀具直線運(yùn)動(dòng)。這樣，在整個(gè)路徑上都可保持最佳切削狀態(tài)，具有連續(xù)性，表面光潔度高，沒(méi)有加工的連接痕跡。用聯(lián)動(dòng)把誤差“埋”到工件里，不意味著精度提高，但是表面狀態(tài)很好，比如醫(yī)療器械、發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪之類，當(dāng)然有些也是加工工藝的要求，要求均勻地去除材料，保證工件的加工應(yīng)力變化和熱變化均勻。

二、五軸加工工藝

五軸數(shù)控機(jī)床的加工工藝的劃分可以按以下三種方式：粗、精加工分序法，根據(jù)零件的形狀、尺寸精度等因素按粗精加工分開(kāi)的原則；刀具集中分序法，按所用刀具來(lái)劃分工序，可以減少換刀次數(shù)，縮短時(shí)間，減少誤差；加工部位分序法，按照先簡(jiǎn)后繁、先近后遠(yuǎn)、先平面后孔的原則。

在使用五軸精加工時(shí)，需了解機(jī)床的切削能力和被切削材料的硬度。參照行業(yè)加工工藝方案，一般預(yù)留0.5～0.8mm使用五軸精加工。但是過(guò)大的切削量會(huì)對(duì)主軸造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，編程時(shí)要給予重視，不能貪圖編程方便快捷；在程序運(yùn)行的過(guò)程中，需注意的事項(xiàng)盡可能書面告知機(jī)床操作人員。在粗開(kāi)或半精加工盡量不要使用五軸聯(lián)動(dòng)加工銑削。

三、五軸加工注意事項(xiàng)

1.五軸加工編程復(fù)雜、難度大

五軸形成的合成運(yùn)動(dòng)的空間軌跡非常復(fù)雜和抽象，為了加工出所需的空間自由曲面，往往需要多次坐標(biāo)變換或使用復(fù)雜的刀軸指向控制方式，同時(shí)還要考慮各軸運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性，避免干涉、碰撞，因此對(duì)數(shù)控程序要進(jìn)行校對(duì)審核。

2.多軸加工的效率以及剛性有待進(jìn)一步提高和優(yōu)化

機(jī)床在進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)加工時(shí)，實(shí)際切削進(jìn)給率往往要遠(yuǎn)低于NC程序中設(shè)定的值。另外，同時(shí)運(yùn)動(dòng)的五根坐標(biāo)軸在加工過(guò)程中，其剛性比三軸加工低，這直接影響到機(jī)床的加工精度和工件的加工質(zhì)量。

3.在處理NC程序時(shí)，注意避免刀軸的一些不必要的、過(guò)度的擺動(dòng)

這樣可防止由此導(dǎo)致的機(jī)床主軸或工作臺(tái)過(guò)于頻繁的擺動(dòng)，造成機(jī)床的損壞。

4.操作之前采用軟件模擬

由于五軸聯(lián)動(dòng)高速切削程序量大，許多程序采用手工的方法或者在CAM軟件里進(jìn)行模擬，是難以有效地檢查數(shù)控程序和機(jī)床的實(shí)際輸出是否存在問(wèn)題的。筆者學(xué)校現(xiàn)在采用多軸數(shù)控仿真軟件進(jìn)行模擬來(lái)驗(yàn)證程序的安全性，增強(qiáng)操作者和機(jī)床的安全保障。

（作者單位：山東省高密市技工學(xué)校）