探討改進多軸機床加工方法

余兆

摘 要 隨著我國經濟飛速的發展，工業機械在工業產業的應用中非常廣泛。本文通過對現有多軸機床加工方法的研究，分析了多軸機床在運作過程中存在的問題，并針提出了主要改進措施和方向。

關鍵詞 工業機械 多軸機床 改進措施

中圖分類號：TG502 文獻標識碼：A

數控機床對于現如今的現代化工廠來說，是最主要的生產制造設備。多軸數控機床比傳統機床在加工工藝上有更大的優勢，傳統加工機床正在慢慢都被數控機床替代。而其中五軸聯動加工中心是數控機床中加工技術最高的一種多軸數控機床。五軸數控機床在工業生產和制造上的應用非常廣泛，例如：

（1）復雜曲面類零件。在航空、航天及運輸業中，具有復雜曲面的零件應用很廣泛，如凸輪、航空發動機的整體葉輪、螺旋槳、模具型腔等。這類具有復雜曲線、曲面輪廓的零件盒形或殼體零件，采用普通機床加工或精密鑄造難以達到預定的加工精度，且難以檢測。而使用多軸聯動的加工中心，配臺自動編程技術和專用刀具，可以大大提高其生產效率并保證曲面的形狀精度，使復雜零件的自動加工變得非常容易。

（2）異形類零件。異形件是外形不規則的零件，大多需要點、線、面多工位混合加工（如支架、基座、靠模等）加工異形件時，形狀越復雜，精度要求越高，使用加工中心越能顯示其優越性。

1多軸數控機床的類型

目前我國五軸聯動數控機床，有立式，臥式和搖籃式，以及二軸Nc這幾個基本的種類，其中以立式和臥室為最常見的類型。五軸聯動加工中心有高效率、高精度的特點，工件一次裝夾就可完成五面體的，加工。如配置上五軸聯動的高檔數控系統，還可以對復雜的空間曲面進行高精度加工，更能夠適宜象汽車零部件、飛機結構件等現代模具的加工。

五軸聯動數控是數控技術中難度最大、應用范圍最廣的技術。它集計算機控制、高性能伺服驅動和精密加工技術于一體，應用于復雜曲面的高效、精密、自動化加工。五軸聯動數控機床是發電、船舶、航天航空、模具、高精密儀器等民用工業和軍工部門迫切需要的關鍵加工設備。國際上把五軸聯動數控技術作為一個國家工業化水平的標志。

1.1立式五軸加工中心

立式加工中心是指主軸為垂直狀態的加工中心，其結構形式多為固定立柱，工作臺為長方形，無分度回轉功能，適合加工盤、套、板類零件，它一般具有三個直線運動坐標軸，并可在工作臺上安裝一個沿水平軸旋轉的回轉臺，用以加工螺旋線類零件。立式加工中心裝卡方便，便于操作，易于觀察加工情況，調試程序容易，應用廣泛。但受立柱高度及換刀裝置的限制，不能加工太高的零件，在加工型腔或下凹的型面時，切屑不易排出，嚴重時會損壞刀具，破壞已加工表面，影響加工的順利進行。

立式五軸加工中心有兩種不同形式的回轉軸，包括工作臺回轉軸以及工作臺，中間另設有一個回轉臺還讓另一個軸回轉的旋轉軸。

1.2臥式五軸加工中心

臥式加工中心指主軸為水平狀態的加工中心，通常都帶有自動分度的回轉工作臺，它一般具有3～5個運動坐標，常見的是三個直線運動坐標加一個回轉運動坐標， 工件在一次裝夾后，完成除安裝面和頂面以外的其余四個表面的加工，它最適合加上箱體類零件。與立式加工中心相比較，臥式加工中心加工時排屑容易，對加工有利，但結構復雜，價格較高。

臥式五軸加工中心也的回轉軸也有兩種形式，一種是主軸擺動，固定成為一個回轉軸，與工作臺上的，另一個回轉軸相互配合從而對部件進行立體加工。另外一種回轉軸相對來說傳統的回轉軸。這種回轉軸同樣設置在床身上，我的工作范圍是20度到-100度。其次，工作臺中間也是有一個旋轉軸，而且該旋轉軸可以進行雙向操作，回轉的角度為360度。

2多軸機床的優勢和加工特點

2.1加工精度高

多軸數控機床不僅提高了加工工藝的有效性，同時，在加工零件的過程中，整個過程只需要一次裝夾，這在一定程度上更有效的保證了部件的加工精度。

2.2工裝夾具數量少占地面積小

多軸數控機床有一個非常明顯的優勢，那就是工裝夾具數量少，設備占地面積小。也正因為如此，在對機床設備的維護費用上也會有所減少，給企業節約了支出成本，提高了企業的經濟收益。

2.3能進行自由曲線及多面體復雜構件的加工

由于三軸數控機床一般是由三個直線軸構成的，所以，不能一次性加工完成連續并且平滑的自由曲面。而五軸數控機床本身的結構復雜，編程難度大，因此使得五軸數控機床在進行復雜程度較高的部件加工更有優勢。

2.4生產周期短易于管理

采用多軸數控機床進行各種零部件的加工，能夠有效的縮短生產周期。而且由于所有的加工任務都只交給一個工作崗位，對于企業的生產管理帶來更高的效率。

2.5縮短新產品研發周期

由于我國航空航天和汽車行業的飛速發展，對零部件的成型形狀要求越來越高，精度要求也更為嚴格。而具有高柔性，高精度的多軸數控問題能夠有效的解決新產品的研發問題，包括零部件的加工精度和周期問題，為新品研發提供更好的幫助，使研發周期縮短，新產品研發成功幾率提高。

3多軸數控機床加工技術存在的問題

雖然多種數控機床在加工技術上，遠遠比三軸數控機床的加工技術高，但是，就目前我國對多軸數控機床的研究和開發，跟國外先進的多軸數控機床相比，還存在著一些問題和不足，如果能夠將這些不足和問題加以研究和改進，就會使多軸數控機床有進一步的提升。

3.1非線性誤差和奇異性問題

五軸數控機床在運作過程中其動力學要比三軸機床復雜的多，由于五軸數控機床有旋轉坐標的存在，基于此，也就出現了跟旋轉坐標有關的非線性誤差問題。另外一個問題是奇異性問題，當奇異點處于極限位置時，那么，其附近的任何震蕩都會導致旋轉軸出現180度的翻轉。這種情況會導致嚴重的問題發生。非線性誤差這種問題的出現一般都是因為數控加工編程沒做好，因此降低編程誤差是有效的解決辦法。

3.2五軸數控機床的機械誤差問題

由于五軸數控機床的結構和加工工藝上比三軸數控機床更為復雜，因此在加工過程中，對于誤差的保證，難度更大。要使五軸數控機床在加工過程當中有更高的精度和更高的效率，就必須要克服，數控機床本身的機械誤差，重復定位誤差以及機床中心數據誤差，基本上這些誤差都無法進行人為的干預和消除。

4改進多軸數控機床加工方案的具體措施

4.1機床加工工藝的制定

4.1.1加工基準與測量基準之間的關系

加工基準是指零件在加工過程中，作為定位基準的表面應首先加工出來，以便盡快為后續工序的加工提供精基準而測量基準則是用以檢驗已加工表面的尺寸及位置的基準。

4.1.2粗、精基準的定義與選擇

工件在加工中第一道工序用未加工的毛坯表面做定位基準， 我們把這個定位表面稱為粗基準。

粗基準的選擇如下：

（1）如果必須首先保證閥門工件上加工表面與不加工表面之間的位置要求， 應以不加工表面作為粗基準。如果在工件上有很多不需加工的表面， 則應以其中與加工面的位置精度要求較高的表面作粗基準。

（2）如果必須首先保證工件某重要表面的余量均勻， 應選擇該表面作粗基準。

（3）選作粗基準的表面，應平整，沒有澆、冒口或飛邊等缺陷，以便定位可靠。

（4）粗基準一般只能使用一次，特別是主要定位基準，以免產生較大的位置誤差。

用工件的已加工表面做定位基準稱精基準。

精基準的選擇如下：

（1）用工序基準作為精基準， 實現“基準重合”， 以免產生基準不重合誤差。

（2）當工件以某一組精基準定位可以較方便的加工其他各表面時，應盡可能 在多數工序中采用此組精基準定位， 實現“基準統一”， 以減少工裝設計制造費 用、提高生產率、避免基準轉換誤差。

（3）當精加工或光整加工工序要求余量盡量小而均勻時，應選擇加工表面本 身作為精基準， 即遵循“自為基準”原則。 該加工表面與其他表面間的位置精度 要求由先行工序保證。

（4）為了獲得均勻的加工余量或較高的位置精度，可遵循互為基準、反復加工的原則。

4.2減少編程誤差

數控加工編程是保證多軸數控機床能夠有效運作的基本條件，也是能夠保證加工零件的精確度和其他標準規定的根本。因此，在改進多軸數控機床加工方法的同時，要做好多軸數控機床的加工編程。可從多軸數控加工編程的具體步驟進行一一的改進和操作。

4.2.1首先根據模型定義切削策略

根據模型定義切削策略是保證部件加工后進度和準確度的基本條件，通過多軸加工的常用方法使刀位的軌跡保持在固定的設計上，同時在此過程中還要判斷和掌握刀位軌跡的長短和方向變化。

4.2.2控制刀軸

在對刀具軸線矢量控制時，盡量采用使都是軸線變化平穩的原則，保持切削載荷的穩定。

4.2.3選擇合適的切削參數

在選擇切削參數時一定要考慮加工過程中的每一個因素，尤其是刀具和工件這兩個因素。根據加工部件的特性比如形狀，大小，切削性能等這些特點，選擇合適的刀具材料。然后根據直徑等各項參數，確定切削的速度，主軸的轉速以及切削的深度等。

4.2.4機床誤差

要充分考慮到機床誤差的存在，要在加工策略中給加工余量預留足夠的余量，在選擇和編制加工策略時，要結合機床誤差進行參數設置。

4.3有效實施誤差補償方法

有效的降低五軸數控機床生產存在的各種誤差，那么就必須要針對不同類型的多軸數控機床對產生的誤差進行檢測，辨識，最后針對性的進行改進方案的設計和實施。以高壓鍋輪類機甲零件外形面島嶼上空間斜孔和沉頭孔加工為例。由于其中一組螺紋孔從零件外加工，而另外一組沉頭孔零件重新裝夾后從零件內加工。兩次加工存在著重復定位誤差可機械誤差等其他誤差。要解決這個問題可有以下方法。首先可以將機床的主軸利用數控程序擺放到加工空間位置上，沿主軸方向大表得到主軸位置與零件位置的周向偏差值并做好標記。其次，利用公式計算出空間偏差在坐標系中的補償值。最后，重新進行程序的運行。這種誤差補償法能效的降低多軸數控機床存在的差誤差。這個補償值可以通過兩種方法去實現補償，一是在加工策略參數中（告訴給編程的軟件），二是在數控系統參數中設置（告訴給機床）。

5結束語

由于多軸數控機床的復雜性較高，在使用過程當中仍然會存在一些問題，企業在多軸數控機床的應用上還要根據加工部件和機床本身的實際情況對多軸數控機床進行更加全面的研究與分析，為企業自身發展提供更有力的幫助。

參考文獻

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