模具多軸數(shù)控加工技術(shù)研究

郝惠東

（山西機電職業(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，實現(xiàn)多個坐標(biāo)軸的聯(lián)合動作。待加工件在機床上安裝完畢后，可連續(xù)進行鏜削、銑削和鉆削等加工作業(yè)，每個工序結(jié)束后不用對加工件進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，同時也大大縮短了工件加工的總時間，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，分別是對加工臺面進行角度控制的A軸和B軸、對主軸回轉(zhuǎn)角度進行控制的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。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)機床的最端部設(shè)計有回轉(zhuǎn)裝置，可以繞Z軸做360°運動，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)控機床設(shè)計方式使主軸在工件加工過程中機動性能更好，同時工作臺的設(shè)計面積也可相應(yīng)變大。以往在對復(fù)雜零件進行曲面加工時，首先設(shè)計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標(biāo)準(zhǔn)要求。在立式主軸頭回轉(zhuǎn)機床的加工過程中，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)特點分析

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

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，只需初次切削時對工件進行安裝，后續(xù)加工過程工件位置不動，充分保證了工件加工過程中的較高精度。

2.2 機床占地面積和機床夾具大大減少

多軸數(shù)控機床將多道切削程序集中在一起，實現(xiàn)一臺機床進行工件加工，替代了原有的車床、銑床、鏜床、鉆床等多個機床，因此，占地面積大大減少，同時在工件夾裝方面，只需采用一套夾具即可實現(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)時間

多軸數(shù)控機床加工工具期間只需將工作任務(wù)交給一個機床操作人員來完成，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)管理和進度計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，多軸數(shù)控技術(shù)的優(yōu)勢就更加明顯。同時，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)時間，實現(xiàn)了生產(chǎn)效率的提高。

2.4 減少了新產(chǎn)品的研制時間

在汽車發(fā)動機、航空發(fā)動機、機車車頭等方面，有大量的新產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時對模具的精準(zhǔn)度要求也不低，此時，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)品的研制時間，同時多軸數(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)生切削的點位，然后對該點位切削后的最低位置進行設(shè)計，因此，需要對數(shù)控加工過程中的切削參數(shù)進行優(yōu)化，涉及的流程有參數(shù)設(shè)計、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)等幾個方面。在數(shù)控加工過程中，工件的切削環(huán)境隨時發(fā)生著變動，所以數(shù)控機床要隨時根據(jù)刀具點位的不同對加工參數(shù)進行選擇優(yōu)化。實際加工過程中，還無法實現(xiàn)隨時對加工參數(shù)進行調(diào)整，常用的解決方法是用工件某一點位的切削情況來替代相鄰點位的切削情況，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。

在實際加工過程中存在多個路段，每個路段的刀具吃入量用字母單獨表示，對進給量和切削線速度進行優(yōu)化，設(shè)定進給量，切削線速度，路段長度，將多少個個路段連接在一起就是整個工件的加工過程。對目標(biāo)函數(shù)進行優(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)率方面進行，即單個零件的最少生產(chǎn)周期。目標(biāo)函數(shù)的約束過程主要涉及多軸數(shù)控機床的功率、進給量、進給速度等參數(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間內(nèi)的機床進給量大小、背吃刀量大小、切削件的寬度以及切削速度等有關(guān)。刀具的使用時間與刀具材料、零件材料相關(guān)，是一個變化值。另外，對于機床的效率系數(shù)和機床的最大輸出功率等參數(shù)也需根據(jù)相應(yīng)公式進行優(yōu)選。

4 小結(jié)

本文對多軸數(shù)控加工技術(shù)進行了分析闡述，對多軸數(shù)控實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件加工原理進行了分析。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)品的研制時間等特點。最后對數(shù)控加工過程中的參數(shù)優(yōu)化進行了分析研究，對于相關(guān)技術(shù)人員開展研究具有較好的參考意義。