多軸加工技術(shù)應(yīng)用研究及實(shí)踐推廣

康逢華

珠海格力電器股份有限公司 廣東 珠海 519070

1 多軸加工技術(shù)簡介

多軸加工準(zhǔn)確地說應(yīng)該是多坐標(biāo)聯(lián)動加工。我們熟悉的數(shù)控機(jī)床有XYZ三個直線坐標(biāo)軸，多軸指在一臺機(jī)床上至少具備第4軸。通常所說的多軸數(shù)控加工是指4軸以上的數(shù)控加工，其中具有代表性的是5軸數(shù)控加工。多軸數(shù)控加工能同時控制4個以上坐標(biāo)軸的聯(lián)動，將數(shù)控銑、鏜、車、鉆等功能組合在一起，工件在一次裝夾后，可以對加工面進(jìn)行銑、鏜、車、鉆等多工序加工，有效地避免了由于多次安裝造成的定位誤差，能縮短生產(chǎn)周期，提高加工精度。隨著模具制造技術(shù)的迅速發(fā)展，對加工中心的加工能力和加工效率提出了更高的要求，因此多軸數(shù)控加工技術(shù)得到了空前的發(fā)展。

五軸加工技術(shù)指機(jī)床使用5個坐標(biāo)軸(X、Y、Z三個坐標(biāo)軸和任意2個旋轉(zhuǎn)軸)對零件加工進(jìn)行加工，其中，繞X、Y、Z的旋轉(zhuǎn)軸分別為A、B、C軸，相對傳統(tǒng)的三軸加工技術(shù)，增加了A、B、C的任意2個自由度。五軸聯(lián)動加工和五軸定位加工是兩個不同的概念。五軸聯(lián)動加工是指機(jī)床在計算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)的控制下，5個坐標(biāo)軸同時協(xié)調(diào)運(yùn)動，要求加工刀具在五個自由度上能進(jìn)行任意定位和連接，多用于加工渦輪機(jī)零部件、葉輪等復(fù)雜曲面五軸定位加工是一種“3+2”的加工方式，根據(jù)加工零件的局部形狀對2個旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行調(diào)整，已達(dá)到最佳的加工角度，然后對局部進(jìn)行加工，是模具行業(yè)零件加工最常用的加工方式。

2 多軸加工的類型

加工中心一般分為立式加工中心和臥式加工中心。三軸立式加工中心最有效的加工面僅為工件的頂面，臥式加工中心借助回轉(zhuǎn)工作臺，也只能完成工件的四面加工。多軸數(shù)控加工中心具有高效率、高精度的特點(diǎn)，工件在一次裝夾后能完成5個面的加工。如果配置5軸聯(lián)動的高檔數(shù)控系統(tǒng)，還可以對復(fù)雜的空間曲面進(jìn)行高精度加工，非常適于加工汽車零部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等工件的成型模具。根據(jù)回轉(zhuǎn)軸形式，多軸數(shù)控加工中心可分為兩種設(shè)置方式

2.1 工作臺回轉(zhuǎn)軸 這種設(shè)置方式的多軸數(shù)控加工機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)是:主軸結(jié)構(gòu)比較簡單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺不能設(shè)計太大，承重也較小，特別是當(dāng)A軸回轉(zhuǎn)角度≥90°時，工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩。

2.2 立式主軸頭回轉(zhuǎn) 這種設(shè)置方式的多軸數(shù)控加工機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)是:主軸加工非常靈活，工作臺也可以設(shè)計得非常大。在使用球面銑刀加工曲面時，當(dāng)?shù)毒咧行木€垂直于加工面時，由于球面銑刀的頂點(diǎn)線速度為零，頂點(diǎn)切出的工件表面質(zhì)量會很差，而采用主軸回轉(zhuǎn)的設(shè)計，令主軸相對工件轉(zhuǎn)過一個角度，使球面銑刀避開頂點(diǎn)切削，保證有一定的線速度，可提高表面加工質(zhì)量，這是工作臺回轉(zhuǎn)式加工中心難以做到的。

3 多軸數(shù)控加工技術(shù)的特點(diǎn)

采用多軸數(shù)控加工，具有如下幾個特點(diǎn):

3.1 減少基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，提高加工精度 多軸數(shù)控加工的工序集成化不僅提高了工藝的有效性，而且由于零件在整個加工過程中只需一次裝夾，加工精度更容易得到保證。

3.2 提高加工質(zhì)量 由于五軸加工中刀具具有更靈活，可采用平刀，平刀加工以面帶形，可以保證高速切削，而且加工后的表面更連續(xù)光滑。所以可以大大的減少拋光量。

3.3 減少工裝夾具數(shù)量和占地面積 盡管多軸數(shù)控加工中心的單臺設(shè)備價格較高，但由于過程鏈的縮短和設(shè)備數(shù)量的減少，工裝夾具數(shù)量、車間占地面積和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用也隨之減少。

3.4 縮短生產(chǎn)過程鏈，簡化生產(chǎn)管理 多軸數(shù)控機(jī)床的完整加工大大縮短了生產(chǎn)過程鏈，而且由于只把加工任務(wù)交給一個工作崗位，不僅使生產(chǎn)管理和計劃調(diào)度簡化，而且透明度明顯提高。工件越復(fù)雜，它相對傳統(tǒng)工序分散的生產(chǎn)方法的優(yōu)勢就越明顯。同時由于生產(chǎn)過程鏈的縮短，在制品數(shù)量必然減少，可以簡化生產(chǎn)管理，從而降低了生產(chǎn)運(yùn)作和管理的成本。

4 多軸數(shù)控加工技術(shù)的難點(diǎn)

人們早已認(rèn)識到多軸數(shù)控加工技術(shù)的優(yōu)越性和重要性，但到目前為止，多軸數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用仍然局限于少數(shù)資金雄厚的部門。多軸數(shù)控加工由于干涉和刀具在加工空間的位置控制，其數(shù)控編程、數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比3軸機(jī)床復(fù)雜得多。目前，多軸數(shù)控加工技術(shù)存在以下問題:

4.1 多軸數(shù)控編程抽象、操作困難 這是每一個傳統(tǒng)數(shù)控編程人員都深感頭疼的問題。3軸機(jī)床只有直線坐標(biāo)軸，而5軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)形式多樣；同一段NC代碼可以在不同的3軸數(shù)控機(jī)床上獲得同樣的加工效果，但某一種5軸機(jī)床的NC代碼卻不能適用于所有類型的5軸機(jī)床。數(shù)控編程除了直線運(yùn)動之外，還要協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的相關(guān)計算，如旋轉(zhuǎn)角度行程檢驗(yàn)、非線性誤差校核、刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動計算等，處理的信息量很大，數(shù)控編程極其抽象。多軸數(shù)控加工的操作和編程技能密切相關(guān)，如果用戶為機(jī)床增添了特殊功能，則編程和操作會更復(fù)雜。只有反復(fù)實(shí)踐，編程及操作人員才能掌握必備的知識和技能。經(jīng)驗(yàn)豐富的編程與操作人員的缺乏，是多軸數(shù)控加工技術(shù)普及的大阻力。

4.2 刀具半徑補(bǔ)償困難 在5軸聯(lián)動NC程序中，刀具長度補(bǔ)償功能仍然有效，而刀具半徑補(bǔ)償卻失效了。以圓柱銑刀進(jìn)行接觸成形銑削時，需要對不同直徑的刀具編制不同的程序。目前流行的CNC系統(tǒng)尚無法完成刀具半徑補(bǔ)償，因?yàn)镮SO文件中沒有提供足夠的數(shù)據(jù)對刀具位置進(jìn)行重新計算。用戶在進(jìn)行數(shù)控加工時需要頻繁換刀或調(diào)整刀具的確切尺寸，按照正常的處理程序，刀具軌跡應(yīng)送回CA M系統(tǒng)重新進(jìn)行計算，從而導(dǎo)致整個加工過程效率不高。對這個問題的最終解決方案，有賴于新一代CNC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠識別通用格式的工件模型文件(如STEP等)或CAD系統(tǒng)文件。

結(jié)束語

綜上所述，多軸數(shù)控加工技術(shù)在我國已經(jīng)取得了一定的發(fā)展，這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)眾多，不但能夠提高加工的精度，還能夠節(jié)約廠房占地面積以及加工的效率。多軸數(shù)控加工技術(shù)正朝著高速、高精、復(fù)合、柔性和多功能智能化方向發(fā)展，努力達(dá)到高質(zhì)量、高效率的目標(biāo)。我國多軸數(shù)控加工技術(shù)研究起步較晚，與發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平還有很大的差距。目前，多軸數(shù)控加工中心的關(guān)鍵部件如5軸頭、數(shù)控系統(tǒng)、伺服電機(jī)等核心技術(shù)及編程軟件，國內(nèi)企業(yè)多采用進(jìn)口，價格高，成本居高不下。為此，只有自力更生實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)突破關(guān)鍵技術(shù)，堅持走技術(shù)發(fā)展的道路，才能提高企業(yè)的利潤空間。