淺析多軸數(shù)控加工技術(shù)

劉翠蓮

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，模具制造技術(shù)迅速發(fā)展，多軸數(shù)控加工、高速加工、電火花加工、快速模具制造等先進(jìn)技術(shù)在模具制造中得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了多軸數(shù)

控加工技術(shù)的特點(diǎn)及常用類型，并指出了多軸數(shù)控加工編程技術(shù)存在的問(wèn)題、以及實(shí)現(xiàn)多

軸數(shù)控加工技術(shù)的難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：模具制造；多軸數(shù)控加工；多軸數(shù)控加工編程

TG659

一、建立多軸的概念

多軸數(shù)控加工一般指三軸半以上的數(shù)控加工，它一直是數(shù)控加工的難點(diǎn)。因?yàn)槿S以下的加工在我們頭腦中是一個(gè)比較直觀的東西，我們很容易想象三軸走刀的具體情況，同樣在CAM軟件中三軸以下的加工程序編制也容易的多。多軸加工則不然，多軸數(shù)控加工能同時(shí)控制4個(gè)以上坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)，將數(shù)控銑、數(shù)控鏜、數(shù)控鉆等功能組合在一起，工件在一次裝夾后，可以對(duì)加工面進(jìn)行銑、鎖、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。

二、多軸數(shù)控加工的特點(diǎn)

采用多軸數(shù)控加工，具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

（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(gè)加工過(guò)程中只需一次裝夾，加工精度更容易得到保證。

（2）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(tái)設(shè)備價(jià)格較高，但由于過(guò)程鏈的縮短和設(shè)備數(shù)量的減少，工裝夾具數(shù)量、車問(wèn)占地面積和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用也隨之減少。

（3）縮短生產(chǎn)過(guò)程鏈，簡(jiǎn)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(guò)程鏈，而且由于只把加工任務(wù)交給一個(gè)工作崗位，不僅使生產(chǎn)管理和計(jì)劃調(diào)度簡(jiǎn)化，而且透明度明顯提高。

（4）縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期。

對(duì)于航空航天、汽車等領(lǐng)域的企業(yè)，有的新產(chǎn)品零件及成型模具形狀很復(fù)雜，精度要求也很高，因此具備高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力的多軸數(shù)控加工中心可以很好地解決新產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中復(fù)雜零件加工的精度和周期問(wèn)題，大大縮短研發(fā)周期和提高新產(chǎn)品的成功率。

三、多軸數(shù)控加工的類型

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(gè)面的加工。如果配置5軸聯(lián)動(dòng)的高檔數(shù)控系統(tǒng)，還可以對(duì)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：

⑴工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸。

作臺(tái)可以環(huán)繞x軸回轉(zhuǎn)，定義為A軸，A軸的一般工作范圍是+30°至-120°。工作臺(tái)的中問(wèn)還設(shè)有一個(gè)回轉(zhuǎn)臺(tái)，環(huán)繞Z軸回轉(zhuǎn)，定義為C軸，C軸都是360°回轉(zhuǎn)。通過(guò)A軸與C軸的組合，固定在工作臺(tái)上的工件除了底面之外，其余的5個(gè)面都可以由立式主軸刀具進(jìn)行加工。A軸和C軸的最小分度值一般為0.001°，這樣又可以把工件細(xì)分成任意角度，加工出傾斜面、傾斜孔等。A軸和C軸如果與X ，Y ， Z3軸實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，就可加工出復(fù)雜的空問(wèn)曲面。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(jiǎn)單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺(tái)不能設(shè)計(jì)太大，承重也較小，特別是當(dāng)A軸回轉(zhuǎn)角度﹥90°時(shí)，工件切削時(shí)會(huì)對(duì)工作臺(tái)帶來(lái)很大的承載力矩。

（2）立式主軸頭回轉(zhuǎn)。

主軸前端是一個(gè)回轉(zhuǎn)頭，能自行環(huán)繞Z軸360°，成為C軸，回轉(zhuǎn)頭上還帶有可環(huán)繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸，一般可達(dá)到90°以上。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(tái)也可以設(shè)計(jì)得非常大。在使用球面銑刀加工曲面時(shí)，當(dāng)?shù)毒咧行木€垂直于加工面時(shí)，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(huì)很差，而采用主軸回轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)，令主軸相對(duì)工件轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)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(tái)回轉(zhuǎn)式加工中心難以做到的。

四、多軸數(shù)控加工編程技術(shù)

多軸數(shù)控加工與三軸數(shù)控加工的本質(zhì)區(qū)別在于：在3軸數(shù)控加工情況下，刀具軸線在工件坐標(biāo)系中是固定的，總是平行于Z軸；而在5軸數(shù)控加工情況下，刀具軸線一般是變化的。因此3軸數(shù)控加工的研究關(guān)鍵在于加工特征的識(shí)別和刀具路徑的規(guī)劃，多軸數(shù)控加工的研究關(guān)鍵在于刀具姿態(tài)的優(yōu)化。

多軸數(shù)控加工編程的一般步驟是：

⑴根據(jù)模型定義切削策略：可變軸輪廓銑是多軸加工的常用方式，首先從驅(qū)動(dòng)幾何體上生成驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，將驅(qū)動(dòng)點(diǎn)沿著設(shè)定的矢量映射到零件模型上，生成刀位軌跡。判斷刀位軌跡的要素為刀位軌跡的長(zhǎng)短和方向的變化。

⑵刀軸控制方式：與3軸固定輪廓銑不同之處在于對(duì)刀具軸線矢量的控制，驅(qū)動(dòng)方法通常有點(diǎn)、線、面等3種方式，其選擇的原則是盡量使刀具軸線變化平穩(wěn)，以保持切削載荷的穩(wěn)定。

⑶切削參數(shù)的選擇：切削參數(shù)的選擇要考慮到整個(gè)加工系統(tǒng)的每個(gè)因素，其中，刀具和工件的影響最為明顯。在加工對(duì)象確定的情況下，根據(jù)工件的形狀、大小、切削性能等特點(diǎn)，選擇合適的刀具材料、直徑等各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)而確定切削速度、主軸轉(zhuǎn)速、切削深度等參數(shù)。

五、實(shí)現(xiàn)多軸數(shù)控加工技術(shù)的難點(diǎn)

多軸數(shù)控加工由于干涉和刀具在加工空問(wèn)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)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）多軸數(shù)控編程抽象、操作困難。

這是每一個(gè)傳統(tǒng)數(shù)控編程人員都深感頭疼的問(wèn)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(dòng)之外，還要協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)計(jì)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(dòng)計(jì)算等，處理的信息量很大，數(shù)控編程極其抽象。

（2）刀具半徑補(bǔ)償困難。

在5軸聯(lián)動(dòng)NC程序中，刀具長(zhǎng)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(shí)，需要對(duì)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(wú)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(duì)刀具位置進(jìn)行重新計(jì)算。用戶在進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)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CAM系統(tǒng)重新進(jìn)行計(jì)算，從而導(dǎo)致整個(gè)加工過(guò)程效率不高。

（3）購(gòu)置機(jī)床需要大量投資。

多軸數(shù)控加工機(jī)床和3軸數(shù)控加工機(jī)床之問(wèn)的價(jià)格懸殊很大。多軸數(shù)控加工除了機(jī)床本身的投資之外，還必須對(duì)CAD/CAM系統(tǒng)軟件和后置處理器進(jìn)行升級(jí)，使之適應(yīng)多軸數(shù)控加工的要求，以及對(duì)校驗(yàn)程序進(jìn)行升級(jí)，使之能夠?qū)φ麄€(gè)機(jī)床進(jìn)行仿真處理。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋放之，數(shù)控機(jī)床多軸加工技術(shù)實(shí)用教程，清華大學(xué)出版社，2010.4

[2]丁海萍，刀具補(bǔ)償在數(shù)控加工中的應(yīng)用，裝備制造技術(shù)，2008.5

[3]李粉霞，手工編程在多軸加工中的應(yīng)用，機(jī)械工程師，2009.8