多軸加工技術應用研究及實踐推廣

康逢華

珠海格力電器股份有限公司 廣東 珠海 519070

1 多軸加工技術簡介

多軸加工準確地說應該是多坐標聯動加工。我們熟悉的數控機床有XYZ三個直線坐標軸，多軸指在一臺機床上至少具備第4軸。通常所說的多軸數控加工是指4軸以上的數控加工，其中具有代表性的是5軸數控加工。多軸數控加工能同時控制4個以上坐標軸的聯動，將數控銑、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，能縮短生產周期，提高加工精度。隨著模具制造技術的迅速發展，對加工中心的加工能力和加工效率提出了更高的要求，因此多軸數控加工技術得到了空前的發展。

五軸加工技術指機床使用5個坐標軸(X、Y、Z三個坐標軸和任意2個旋轉軸)對零件加工進行加工，其中，繞X、Y、Z的旋轉軸分別為A、B、C軸，相對傳統的三軸加工技術，增加了A、B、C的任意2個自由度。五軸聯動加工和五軸定位加工是兩個不同的概念。五軸聯動加工是指機床在計算機數控(CNC)系統的控制下，5個坐標軸同時協調運動，要求加工刀具在五個自由度上能進行任意定位和連接，多用于加工渦輪機零部件、葉輪等復雜曲面五軸定位加工是一種“3+2”的加工方式，根據加工零件的局部形狀對2個旋轉軸進行調整，已達到最佳的加工角度，然后對局部進行加工，是模具行業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工作臺，也只能完成工件的四面加工。多軸數控加工中心具有高效率、高精度的特點，工件在一次裝夾后能完成5個面的加工。如果配置5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，非常適于加工汽車零部件、飛機結構件等工件的成型模具。根據回轉軸形式，多軸數控加工中心可分為兩種設置方式

2.1 工作臺回轉軸 這種設置方式的多軸數控加工機床的優點是:主軸結構比較簡單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺不能設計太大，承重也較小，特別是當A軸回轉角度≥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 這種設置方式的多軸數控加工機床的優點是:主軸加工非常靈活，工作臺也可以設計得非常大。在使用球面銑刀加工曲面時，當刀具中心線垂直于加工面時，由于球面銑刀的頂點線速度為零，頂點切出的工件表面質量會很差，而采用主軸回轉的設計，令主軸相對工件轉過一個角度，使球面銑刀避開頂點切削，保證有一定的線速度，可提高表面加工質量，這是工作臺回轉式加工中心難以做到的。

3 多軸數控加工技術的特點

采用多軸數控加工，具有如下幾個特點:

3.1 減少基準轉換，提高加工精度 多軸數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光滑。所以可以大大的減少拋光量。

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

3.4 縮短生產過程鏈，簡化生產管理 多軸數控機床的完整加工大大縮短了生產過程鏈，而且由于只把加工任務交給一個工作崗位，不僅使生產管理和計劃調度簡化，而且透明度明顯提高。工件越復雜，它相對傳統工序分散的生產方法的優勢就越明顯。同時由于生產過程鏈的縮短，在制品數量必然減少，可以簡化生產管理，從而降低了生產運作和管理的成本。

4 多軸數控加工技術的難點

人們早已認識到多軸數控加工技術的優越性和重要性，但到目前為止，多軸數控加工技術的應用仍然局限于少數資金雄厚的部門。多軸數控加工由于干涉和刀具在加工空間的位置控制，其數控編程、數控系統和機床結構遠比3軸機床復雜得多。目前，多軸數控加工技術存在以下問題:

4.1 多軸數控編程抽象、操作困難 這是每一個傳統數控編程人員都深感頭疼的問題。3軸機床只有直線坐標軸，而5軸數控機床結構形式多樣；同一段NC代碼可以在不同的3軸數控機床上獲得同樣的加工效果，但某一種5軸機床的NC代碼卻不能適用于所有類型的5軸機床。數控編程除了直線運動之外，還要協調旋轉運動的相關計算，如旋轉角度行程檢驗、非線性誤差校核、刀具旋轉運動計算等，處理的信息量很大，數控編程極其抽象。多軸數控加工的操作和編程技能密切相關，如果用戶為機床增添了特殊功能，則編程和操作會更復雜。只有反復實踐，編程及操作人員才能掌握必備的知識和技能。經驗豐富的編程與操作人員的缺乏，是多軸數控加工技術普及的大阻力。

4.2 刀具半徑補償困難 在5軸聯動NC程序中，刀具長度補償功能仍然有效，而刀具半徑補償卻失效了。以圓柱銑刀進行接觸成形銑削時，需要對不同直徑的刀具編制不同的程序。目前流行的CNC系統尚無法完成刀具半徑補償，因為ISO文件中沒有提供足夠的數據對刀具位置進行重新計算。用戶在進行數控加工時需要頻繁換刀或調整刀具的確切尺寸，按照正常的處理程序，刀具軌跡應送回CA M系統重新進行計算，從而導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，該系統能夠識別通用格式的工件模型文件(如STEP等)或CAD系統文件。

結束語

綜上所述，多軸數控加工技術在我國已經取得了一定的發展，這種技術的優點眾多，不但能夠提高加工的精度，還能夠節約廠房占地面積以及加工的效率。多軸數控加工技術正朝著高速、高精、復合、柔性和多功能智能化方向發展，努力達到高質量、高效率的目標。我國多軸數控加工技術研究起步較晚，與發達國家的技術水平還有很大的差距。目前，多軸數控加工中心的關鍵部件如5軸頭、數控系統、伺服電機等核心技術及編程軟件，國內企業多采用進口，價格高，成本居高不下。為此，只有自力更生實現自主研發突破關鍵技術，堅持走技術發展的道路，才能提高企業的利潤空間。