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1五軸數(shù)控加工

1.1“3+2”軸加工模式“3+2”加工是五軸加工的常用模式，它指的是在五軸加工過程中，在兩個旋轉(zhuǎn)軸（ABC中的兩個）的矢量方向確定后，3個直線軸（XYZ）做三軸聯(lián)合運動完成零件加工的方式。這種加工模式能夠提高生產(chǎn)效率，減少裝夾次數(shù)，避免零件的安裝誤差。這種加工模式在加工箱體、模具零件的底部或側(cè)壁時，可使用短刀具加工提高加工剛性。在進行“3+2”五軸加工模式時，先要建立定位坐標(biāo)系，然后確定機床的旋轉(zhuǎn)軸后在進行零件的定位加工，在斜面上加工孔時，采用這種加工模式，體現(xiàn)出很高的效率?！?+2”模式的五軸加工編程相對簡單，對五軸機床的磨損?。ㄐD(zhuǎn)軸的使用壽命比直線的使用壽命低）?！?+2”模式的五軸加工不足是：加工時兩個向量之間存在加工界限，在精度不高的五軸機床上加工時會產(chǎn)生“臺階”，而五軸聯(lián)動加工則可以避免。

1.2“4+1”軸加工模式“4+1”軸加工指的是：在進行五軸加工時，一個旋轉(zhuǎn)軸（ABC軸中的一個）角度確定，剩下的三個直線軸加一個旋轉(zhuǎn)運動軸可同時做聯(lián)合運動完成零件的加工。這種五軸加工模式適合加工近似回轉(zhuǎn)體類的零件。在保證刀具不干涉的情況下使用采用“4+1”軸加工可以減少零件裝夾次數(shù)，提高生產(chǎn)效率，提高零件的加工精度。

1.3五軸聯(lián)動加工五軸聯(lián)動加工指五個運動軸（包括XYZ三個直線軸和ABC中的兩個旋轉(zhuǎn)軸）同時運動對零件進行加工的一種模式。在進行五軸聯(lián)動加工時，可對加工過程中的刀具軸線方向進行優(yōu)化，改變刀軸的矢量方向，保證在整個刀具路徑上都可保持最高效的切削模式，具有連續(xù)性，沒有加工的接刀痕跡，表面粗糙度好等優(yōu)點。五軸聯(lián)動加工不僅能控制加工誤差，而且能提高零件表面質(zhì)量，同時可根據(jù)工藝要求，均勻地切除復(fù)雜曲面材料，這樣就能有效控制工件的應(yīng)力和熱變化。例如在加工螺旋槳、航空發(fā)動機的整體葉輪時都需用到五軸聯(lián)動加工保證產(chǎn)品的質(zhì)量和精度。以上三種加工模式如圖1所示：圖1五軸加工模式

2五軸加工的關(guān)鍵技術(shù)

要加工出高質(zhì)量的五軸零件需要有先進的五軸設(shè)備、高效的五軸編程軟件和合理的五軸加工工藝，三者缺一不可。具體操作流程為：根據(jù)加工條件，用CAD/CAM軟件完成零件的三維造型及刀路設(shè)置，根據(jù)機床性能后置處理生成數(shù)控程序；然后應(yīng)用仿真軟件進行欠切、過切、碰撞檢測以及試切削；最后操作五軸機床完成零件的加工。

2.1五軸機床五軸數(shù)控機床相對于三軸數(shù)控機床來說，不僅僅是增加兩個旋轉(zhuǎn)軸的問題，它在算法、控制技術(shù)上有著很大的提升，其關(guān)鍵技術(shù)包括主軸速度、驅(qū)動技術(shù)和控制技術(shù)，這些參數(shù)影響了五軸數(shù)控機床的加工范圍和加工精度。

2.1.1主軸速度。五軸數(shù)控機床在復(fù)雜異形件時，經(jīng)常需要用到小直徑刀具來提高零件表面質(zhì)量，為此需要主軸具有較高的轉(zhuǎn)速。如今五軸機床的主軸大多都采用電主軸（主軸速度基本保持在20000～50000r/min）來提高效率，減少能量損耗。在細微銑削（銑刀直徑一般采用0.1～2mm）加工過程中，需要機床具備更高的主軸轉(zhuǎn)速。

2.1.2驅(qū)動技術(shù)。在進行復(fù)雜曲面加工時，經(jīng)常需要對五軸機床的主軸轉(zhuǎn)速和角度進行制動和變速以適應(yīng)各種型面的加工。為達到在較高的進給速度或在短距離的走刀路徑上，平穩(wěn)地加工零件的輪廓，這就要求設(shè)備具有很高的主軸加速度。因此，在五軸加工過程中，主軸的加速度將控制著零件的加工精度和刀具的壽命。目前，普通的加工中心基本都是采用伺服電機和滾珠絲杠來驅(qū)動直線軸運動，但對于高端數(shù)控設(shè)備現(xiàn)已開始采用直線電機，如德國DMU公司的DMC75VLinear高速五軸加工中心。直線電機的優(yōu)點包括：可簡化機床結(jié)構(gòu)，減去機床中將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的機械傳動部件，減少能量損耗，從而有效提高零件加工精度，保證各軸的動態(tài)性能及移動線速度的穩(wěn)定性。如今，大部分的五軸聯(lián)動加工中心基本都采用轉(zhuǎn)矩電機來控制主軸頭和回轉(zhuǎn)工作臺的運動和擺動。轉(zhuǎn)矩電機是一種同步電機，屬于直接驅(qū)動裝置機構(gòu)，它在轉(zhuǎn)子上固定有需要驅(qū)動的零部件，這樣就能盡量減少機械傳動零部件。轉(zhuǎn)矩電機的伺服響應(yīng)靈敏，輸出扭矩大、無傳動間隙、無零件間的接觸傳動（避免磨耗）等特點，其角速度是傳統(tǒng)蝸輪蝸桿機構(gòu)的6倍以上，在驅(qū)動主軸頭擺動的加速度可達3g以上。采用轉(zhuǎn)矩電機替代傳統(tǒng)的機械傳動結(jié)構(gòu)可以將設(shè)備簡化，減少零部件數(shù)量，提高傳動效率，同時提高整個機構(gòu)運行的穩(wěn)定性，從而提高零件的加工質(zhì)量和效率。

2.1.3控制技術(shù)。五軸聯(lián)動加工就是要實現(xiàn)5個運動軸的同時運動，完成零件的加工。由于旋轉(zhuǎn)運動軸的存在，導(dǎo)致坐標(biāo)系是運動變化的，使得編程算法比三軸機床的算法復(fù)雜很多，各種插補運算量龐大，同時細微的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸誤差將導(dǎo)致很大的加工誤差。為此，要求五軸聯(lián)動加工中心數(shù)控系統(tǒng)具備強大的控制和伺服能力以及高效的運算速度和控制精度，同時還要求系統(tǒng)具備良好的刀軸中心點控制管理能力，實現(xiàn)刀具長度補償和刀具半徑補償，從而實現(xiàn)圓柱面和傾斜工作面的高效加工。目前在五軸聯(lián)動加工中，常用的數(shù)控系統(tǒng)有：德國Siemens公司的Siemens840D和Heidenhain公司的iTNC530，它們廣泛應(yīng)用于各種高端的數(shù)控設(shè)備中。

2.2五軸加工工藝

五軸數(shù)控加工工藝的劃分模式有：按粗、精加工分，依據(jù)零件的形狀、尺寸及精度等因素，將粗精加工分開的原則進行工藝劃分；按刀具集中分，按選擇的刀具進行工藝的劃分，可以減少換刀次數(shù)，縮短加工時間，提高加工精度及效率；按加工部位分，遵循的原則有先近后遠、先簡后繁、先平面后孔。五軸聯(lián)動精加工時，五軸設(shè)備的剛性、切削能力以及被切削材料的硬度都是應(yīng)該考慮的因素。根據(jù)機械加工工藝規(guī)程，在五軸精加工時一般預(yù)留0.5～0.8mm的余量精加工。過大的切削量是不允許的，它將對五軸機床的主軸造成損壞，因此工藝人員在制定工藝方案時，應(yīng)著重考慮五軸聯(lián)動加工時的切削參數(shù)，并書面告知操作人員注意事項。同時在進行五軸聯(lián)動加工前應(yīng)進行仿真驗證，避免碰撞及過切現(xiàn)象的產(chǎn)生。

23五軸加工關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1刀軸控制。五軸聯(lián)動加工過程中的刀具軌跡非常復(fù)雜和抽象，為了加工出復(fù)雜異型零部件的曲面及空間，經(jīng)常需要進行多次坐標(biāo)系和刀軸的變化來完成零件的加工，同時還要考慮各運動軸的協(xié)調(diào)性，避免干涉、碰撞現(xiàn)象的產(chǎn)生，因此在執(zhí)行程序前需要用CAD/CAM軟件對刀軸進行驗證。

2.3.2試切加工。在五軸聯(lián)動加工過程中，為提高多軸加工的效率及保證加工系統(tǒng)的剛性，實際的切削參數(shù)往往要比NC程序中設(shè)定的值低（盡量先將倍率調(diào)到較低值，然后慢慢提高，直至找到一個最佳方案）；另外，當(dāng)五軸設(shè)備的五個運動坐標(biāo)軸都在運動時，其剛性比三軸設(shè)備要低，如果處理不好，將直接影響設(shè)備的性能和產(chǎn)品的加工精度。

2.3.3CAD/CAM軟件。要實現(xiàn)復(fù)雜曲面的五軸加工，關(guān)鍵需要五軸CAD/CAM軟件來實現(xiàn)加工工藝。如今能進行五軸編程的軟件有UG、hyperMILL、cimatron、powermill、caxa制造工程師等，其中由于powermill軟件具有功能強大，操作簡便等特點，在國內(nèi)市場的占有率正在逐年提高?，F(xiàn)在越來越多的學(xué)校、工廠正在用powermill軟件編制五軸加工刀路，完成復(fù)雜異形零件的加工。powermill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，越來越受到機械制造工藝師的青睞。為此，研究“曲面投影精加工”的原理、相關(guān)參數(shù)的含義以及使用方法，對用好該五軸加工策略意義重大。

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，防止因機床主軸或工作臺過于頻繁的擺動，造成機床的損壞。在進行刀路優(yōu)化時，著重要注意連接刀路的設(shè)置，生成多軸刀路后，還需根據(jù)機床性能、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，所以實際加工前一定要先進行模擬加工。如今的CAM軟件基本只能進行程序的驗證，很難仿真實際的工藝工裝等實際加工情境，所以在進行實際的五軸聯(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）進行仿真加工，來驗證工藝及程序的安全性、可靠性，同時增強操作者和機床的安全保障。

3結(jié)語

本文介紹了五軸加工的定義、特點、分類；著重介紹了五軸數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)，包括五軸設(shè)備、加工工藝、五軸CAD/CAM軟件。在進行多軸加工時應(yīng)對這三者進行深入研究，找出最佳方案，選用最佳參數(shù)，才能實現(xiàn)五軸的高效、高質(zhì)量加工。目前，數(shù)控加工正朝著高速、高效方向發(fā)展，采用五軸數(shù)控加工，能簡化工藝工裝，降低由于操作誤差對產(chǎn)品精度的影響，大大縮短了切削加工時間并獲得更好的加工表面質(zhì)量。為縮短生產(chǎn)周期、降低人工成本、提高零件的加工精度及企業(yè)的競爭力，越來越多的制造類企業(yè)采用五軸加工代替原有的加工模式。

作者：曹著明紀(jì)文龍單位：北京電子科技職業(yè)學(xué)院