模具多軸數(shù)控加工技術(shù)研究

郝惠東

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長治 046011）

多軸數(shù)控加工技術(shù)一般情況下要求數(shù)控加工達(dá)到四軸以上，較為常見的是五軸數(shù)控加工。多軸數(shù)控加工過程中，數(shù)控鏜削流程、數(shù)控銑削流程、數(shù)控鉆削流程等被一起控制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)坐標(biāo)軸的聯(lián)合動(dòng)作。待加工件在機(jī)床上安裝完畢后，可連續(xù)進(jìn)行鏜削、銑削和鉆削等加工作業(yè)，每個(gè)工序結(jié)束后不用對加工件進(jìn)行重新安裝和位置確定，這樣大大減少了工件安裝過程中的各種誤差，同時(shí)也大大縮短了工件加工的總時(shí)間，提高了工作效率和加工精準(zhǔn)度。

1 多軸數(shù)控加工技術(shù)

在數(shù)控加工過程中，刀具的位置和工具的位置較重要，多軸數(shù)控加工中的軸數(shù)量為5～6個(gè)，分別是對加工臺面進(jìn)行角度控制的A軸和B軸、對主軸回轉(zhuǎn)角度進(jìn)行控制的C軸和控制刀具沿著直線方向走位的X軸、Y軸以及Z軸。不同數(shù)控加工設(shè)備的主要區(qū)別體現(xiàn)在回轉(zhuǎn)軸的形式不同，據(jù)此主要分為工作臺式的回轉(zhuǎn)軸和立式主軸頭回轉(zhuǎn)兩種類型。其中，工作臺的回轉(zhuǎn)軸類型中要求工作臺能夠圍繞X軸旋轉(zhuǎn)，這個(gè)軸一般稱為A軸，A軸工作過程中的角度范圍是+30°～-100°。工作臺的重要位置是回轉(zhuǎn)臺裝置，其旋轉(zhuǎn)過程中的中心軸是Z軸，此軸一般稱為C軸，C軸可以做360°轉(zhuǎn)動(dòng)。A軸和C軸在工作過程中配合使用，對應(yīng)的最小分度單位是0.001°，所以，在工件加工過程中可以實(shí)現(xiàn)對任意角度傾斜孔和傾斜面的加工。如果將A軸、C軸與X軸、Y軸、Z軸配合使用，就可實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的曲面工具加工制造。工作臺式的回轉(zhuǎn)軸對應(yīng)的主軸結(jié)構(gòu)不復(fù)雜、剛性不低、加工成本不高。存在的缺點(diǎn)是工作臺承重不大，工作過程中要求A軸回轉(zhuǎn)的角度要控制在90°以內(nèi)，切削過程中工作臺承受力矩較大。立式主軸頭回轉(zhuǎn)機(jī)床的最端部設(shè)計(jì)有回轉(zhuǎn)裝置，可以繞Z軸做360°運(yùn)動(dòng)，一般稱為C軸，在回轉(zhuǎn)裝置上還安裝有可繞X軸在±90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)的A軸。這種多軸數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方式使主軸在工件加工過程中機(jī)動(dòng)性能更好，同時(shí)工作臺的設(shè)計(jì)面積也可相應(yīng)變大。以往在對復(fù)雜零件進(jìn)行曲面加工時(shí)，首先設(shè)計(jì)刀具的中心線與加工面保持垂直狀態(tài)，球面處的刀具線速度基本接近零，所以，對應(yīng)的零件表面粗糙度很難到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)要求。在立式主軸頭回轉(zhuǎn)機(jī)床的加工過程中，主軸和工具之間有一定的角度，球面刀具在切削過程中不會對頂點(diǎn)切削，線速度不為零，可以充分保證零件表面的加工精度。

2 多軸數(shù)控加工技術(shù)特點(diǎn)分析

多軸數(shù)控加工的技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 工件一次安裝，加工精度高

采用多軸數(shù)據(jù)加工技術(shù)使多道切削流程實(shí)現(xiàn)了集成化作業(yè)，提高了工作效率，在工件加工過程中，只需初次切削時(shí)對工件進(jìn)行安裝，后續(xù)加工過程工件位置不動(dòng)，充分保證了工件加工過程中的較高精度。

2.2 機(jī)床占地面積和機(jī)床夾具大大減少

多軸數(shù)控機(jī)床將多道切削程序集中在一起，實(shí)現(xiàn)一臺機(jī)床進(jìn)行工件加工，替代了原有的車床、銑床、鏜床、鉆床等多個(gè)機(jī)床，因此，占地面積大大減少，同時(shí)在工件夾裝方面，只需采用一套夾具即可實(shí)現(xiàn)工件加工，所用夾具數(shù)量也大幅減少。

2.3 簡化了工藝生產(chǎn)流程，減少了生產(chǎn)時(shí)間

多軸數(shù)控機(jī)床加工工具期間只需將工作任務(wù)交給一個(gè)機(jī)床操作人員來完成，工件生產(chǎn)過程中的銜接程序大大減少，這樣一來，工件的生產(chǎn)管理和進(jìn)度計(jì)劃安排就得到了極大簡化，生產(chǎn)過程更加透明。特別是如果待加工的工件結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，需要多道工序聯(lián)合作業(yè)時(shí)，多軸數(shù)控技術(shù)的優(yōu)勢就更加明顯。同時(shí)，由于生產(chǎn)流程的簡化和縮短，大大簡化了工藝加工的生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)效率的提高。

2.4 減少了新產(chǎn)品的研制時(shí)間

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)車車頭等方面，有大量的新產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)對模具的精準(zhǔn)度要求也不低，此時(shí)，多軸數(shù)控加工技術(shù)的優(yōu)勢就大大體現(xiàn)出來了。多軸數(shù)控機(jī)車具有高集成性能、高精度性能、高完整性能和較好的柔韌性能，可以快速適應(yīng)和解決新產(chǎn)品研制過程中的對于復(fù)雜機(jī)構(gòu)零件的精準(zhǔn)度高和周期要求緊的要求，極大縮短了新產(chǎn)品的研制時(shí)間，同時(shí)多軸數(shù)控加工工藝流程緊湊，大大降低了生產(chǎn)產(chǎn)品的失敗率。

3 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化

多軸數(shù)控加工技術(shù)在切削過程中首先要找到能產(chǎn)生切削的點(diǎn)位，然后對該點(diǎn)位切削后的最低位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此，需要對數(shù)控加工過程中的切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，涉及的流程有參數(shù)設(shè)計(jì)、優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、約束目標(biāo)函數(shù)、優(yōu)化問題求解、優(yōu)化反復(fù)等幾個(gè)方面。在數(shù)控加工過程中，工件的切削環(huán)境隨時(shí)發(fā)生著變動(dòng)，所以數(shù)控機(jī)床要隨時(shí)根據(jù)刀具點(diǎn)位的不同對加工參數(shù)進(jìn)行選擇優(yōu)化。實(shí)際加工過程中，還無法實(shí)現(xiàn)隨時(shí)對加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，常用的解決方法是用工件某一點(diǎn)位的切削情況來替代相鄰點(diǎn)位的切削情況，用離線切削條件替代原本連續(xù)的切削條件，用離散問題替代連續(xù)問題。

在實(shí)際加工過程中存在多個(gè)路段，每個(gè)路段的刀具吃入量用字母單獨(dú)表示，對進(jìn)給量和切削線速度進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)定進(jìn)給量，切削線速度，路段長度，將多少個(gè)個(gè)路段連接在一起就是整個(gè)工件的加工過程。對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，多軸數(shù)控管加工過程中目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的方法有很多種，這里選用的目標(biāo)目標(biāo)函數(shù)主要從生產(chǎn)率方面進(jìn)行，即單個(gè)零件的最少生產(chǎn)周期。目標(biāo)函數(shù)的約束過程主要涉及多軸數(shù)控機(jī)床的功率、進(jìn)給量、進(jìn)給速度等參數(shù)。在工件加工過程中上述參數(shù)均受到一定的約束。對應(yīng)材料去除量大小與單位時(shí)間內(nèi)的機(jī)床進(jìn)給量大小、背吃刀量大小、切削件的寬度以及切削速度等有關(guān)。刀具的使用時(shí)間與刀具材料、零件材料相關(guān)，是一個(gè)變化值。另外，對于機(jī)床的效率系數(shù)和機(jī)床的最大輸出功率等參數(shù)也需根據(jù)相應(yīng)公式進(jìn)行優(yōu)選。

4 小結(jié)

本文對多軸數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行了分析闡述，對多軸數(shù)控實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件加工原理進(jìn)行了分析。總結(jié)得到了數(shù)控加工技術(shù)的工件一次安裝加工精度高、簡化了工藝生產(chǎn)流程、減少了新產(chǎn)品的研制時(shí)間等特點(diǎn)。最后對數(shù)控加工過程中的參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了分析研究，對于相關(guān)技術(shù)人員開展研究具有較好的參考意義。