五軸數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)探討

于 瑩

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 五軸數(shù)控加工

五軸加工中的直線軸是確定的，即坐標(biāo)軸XYZ，但是旋轉(zhuǎn)軸有三個（ABC），一般在加工時只選擇其中兩個即可。生產(chǎn)前將加工刀具安裝到特定位置后，仔細(xì)校驗以確保安裝的規(guī)范性，使五軸能充分發(fā)揮其作用，對多個曲面進(jìn)行同時加工。在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)生產(chǎn)需要采用不同的加工模式。

1.1 “3+2”軸加工模式。在機(jī)床加工中，旋轉(zhuǎn)軸的損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直線軸，所以如何解決旋轉(zhuǎn)軸的損耗問題是生產(chǎn)工作中的重點(diǎn)。“3+2”模式的編程相對簡單，而且對旋轉(zhuǎn)軸的磨損較小，延長了機(jī)床使用壽命，所以是五軸加工中普遍使用的模式。在加工中先要建立坐標(biāo)系，確定兩個旋轉(zhuǎn)軸的方向，之后3個直線軸聯(lián)動對零件加工。進(jìn)行零件的斜面或者是底部打孔時可以使用短刀，以提高零件的加工效率。但這種模式仍然存在不足之處：由于加工時兩個旋轉(zhuǎn)軸的限制，不能進(jìn)行360度的全面加工，導(dǎo)致加工界面不是光滑平整的，存在細(xì)小的瑕疵，不能實(shí)現(xiàn)對零件的精確加工。

1.2 “4+1”軸加工模式。在加工類似回轉(zhuǎn)體的零件時，常采用“4+1”加工模式，即確定一個旋轉(zhuǎn)軸的角度，其他四個軸聯(lián)動進(jìn)行加工。這種加工模式的局限性較大，不適用于所有的零件加工，但能夠避免零件經(jīng)常被安裝，在一定程度上提高了生產(chǎn)效率，所以一直沿用至今。

1.3 五軸聯(lián)動加工。五軸聯(lián)動加工是加工中最為精確的一種加工模式，將三個直線軸和兩個旋轉(zhuǎn)軸同時運(yùn)動，并且在加工中能夠進(jìn)行方向的調(diào)整，保證加工連續(xù)性和高效性，五軸聯(lián)動能很好的解決加工界面的層次問題，減少加工誤差，將界面打磨光滑、平整。在進(jìn)行精準(zhǔn)加工時經(jīng)常采用這種模式以提高零件的質(zhì)量，保證零件的精準(zhǔn)度。

2 五軸加工的關(guān)鍵技術(shù)

在五軸加工中不僅要有先進(jìn)的五軸機(jī)床設(shè)備，還要有配套的編程軟件及完善的加工工藝。根據(jù)加工零件的具體需要，首先用CAD/CAM軟件對刀具的角度和加工方向進(jìn)行設(shè)置，編譯相應(yīng)的加工程序。然后進(jìn)行程序調(diào)試，在計算機(jī)上進(jìn)行仿真加工，檢驗刀具加工路徑是否符合實(shí)際加工要求，及時對程序進(jìn)行修改，確保其科學(xué)、可靠。最后在機(jī)床設(shè)備上進(jìn)行五軸加工。

2.1 五軸機(jī)床。在三軸數(shù)控機(jī)床中只有三個旋轉(zhuǎn)軸，加工的零件較為簡單，精度不高。五軸機(jī)床不僅增加了兩個旋轉(zhuǎn)軸，且加強(qiáng)了對零件的精度控制。在加工前的軟件編譯中對算法進(jìn)行反復(fù)推敲，在加工中能夠修正刀具的方向控制加工速度，加工后能對生產(chǎn)的零件進(jìn)行質(zhì)量控制。

2.1.1 主軸速度。五軸機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速在20000r/min~50000r/min，既可以滿足零件的加工需要又能節(jié)約電力，減少設(shè)備損耗。對于精密度較高的零件，機(jī)床的主軸應(yīng)具備更高的轉(zhuǎn)速，以控制較小刀具對零件的細(xì)微加工。

2.1.2 驅(qū)動技術(shù)。五軸加工不僅實(shí)現(xiàn)了技術(shù)改革，而且能夠在加工中及時修改設(shè)備相關(guān)參數(shù)，改變主軸轉(zhuǎn)速和刀具行進(jìn)方向，實(shí)施緊急制動，避免零件報廢產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失。在進(jìn)行復(fù)雜曲面加工時需要不斷改變主軸的轉(zhuǎn)速和角度，使界面保持平整，對轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制能延長刀具的使用壽命。目前，國內(nèi)外都在研究新型的電機(jī)以精簡機(jī)床設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少實(shí)際加工中能量的損耗，從而提高設(shè)備的穩(wěn)定性，使其保持高效率的生產(chǎn)。

2.1.3 控制技術(shù)。在進(jìn)行實(shí)際加工中，要對運(yùn)動中的5個軸進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證其在應(yīng)有的軌跡上進(jìn)行運(yùn)動。加工程序要具備高效的運(yùn)算速度和控制精度，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的錯誤，改變刀具行進(jìn)方向，及時彌補(bǔ)刀具的不足。

2.2 五軸加工工藝。根據(jù)加工情況不同五軸加工采用不同的工藝。按照生產(chǎn)零件精密度劃分，分成粗、精加工；按照刀具規(guī)格劃分，以減少換刀次數(shù)；按照加工部位劃分，進(jìn)行先近后遠(yuǎn)、先簡后繁、先平面后孔的加工。無論采用哪種加工工藝，加工前都要進(jìn)行模擬實(shí)驗，檢驗所編譯的程序是否存在漏洞，避免實(shí)際加工中造成刀具損傷。

2.3 五軸加工關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 刀軸控制。在五軸加工中，需要對刀軸進(jìn)行嚴(yán)格控制，經(jīng)常改變軸的方向和加工速度，避免生產(chǎn)中造成刀具的碰撞，發(fā)生事故。

2.3.2 試切加工。為了提高五軸機(jī)床的使用壽命，程序預(yù)先設(shè)計的參數(shù)比較小，之后反復(fù)調(diào)整，慢慢提高，逐步接近最大效率值，以運(yùn)用到實(shí)際加工中。

2.3.3 CAD/CAM軟件。要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的五軸加工關(guān)鍵需要五軸CAD/CAM軟件來實(shí)現(xiàn)加工工藝。由于powermill軟件具有功能強(qiáng)大操作簡便等特點(diǎn)，在國內(nèi)市場占有率正在逐年提高。軟件中的五軸加工策略很多，其中“曲面投影精加工”策略的加工范圍廣、生成的刀具路徑質(zhì)量高效，特別適用于復(fù)雜曲面的加工，因此受到機(jī)械制造工藝師的青睞。

2.3.4 刀路優(yōu)化。在編制NC程序時，要避免刀軸不必要的、過度的擺動，防止因機(jī)床主軸或工作臺過于頻繁擺動造成機(jī)床損壞。在進(jìn)行刀路優(yōu)化時著重注意連接刀路的設(shè)置，生成多軸刀路后，需根據(jù)機(jī)床性能、零件特征，調(diào)整連接刀路參數(shù)，優(yōu)化刀具路徑。

2.3.5 仿真驗證。由于五軸設(shè)備貴重，加工程序量大，需要考慮的干涉、碰撞問題較多，所以實(shí)際加工前一定要先進(jìn)行模擬加工。如今的CAM軟件基本只能進(jìn)行程序驗證，很難仿真實(shí)際的工藝工裝等實(shí)際加工情境，所以在進(jìn)行實(shí)際的五軸聯(lián)動加工前，建議編程人員使用專業(yè)的多軸數(shù)控仿真軟件（VERICUT）進(jìn)行仿真加工，來驗證工藝及程序的安全性、可靠性，同時增強(qiáng)操作者和機(jī)床的安全保障。

結(jié)語

本文對五軸加工中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了控制，以提高實(shí)際的生產(chǎn)效率。五軸加工大大的減少了零件的生產(chǎn)周期，提高了零件的質(zhì)量和精密度，而且設(shè)備性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于三軸加工，是最新型的數(shù)控技術(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，要不斷研究新型的加工工藝，加強(qiáng)對于主軸轉(zhuǎn)速、刀具等設(shè)備硬件的控制，還要對系統(tǒng)程序進(jìn)行反復(fù)驗證，以確保生產(chǎn)的高效性。

[1]代星.整體葉輪五軸聯(lián)動數(shù)控加工后置處理技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué)，2012.