五軸數(shù)控加工關鍵技術探討

曹著明　紀文龍

摘要：五軸數(shù)控加工是一種高效的數(shù)控加工模式，能加工復雜異形零件，大大提高零件的加工精度。文章介紹了五軸加工的定義、特點、分類；描述了五軸數(shù)控加工中3+2、4+1、5軸聯(lián)動三種加工模式的特點以及加工范圍；著重介紹了五軸加工的關鍵技術，包括五軸設備、加工工藝、五軸CAD/CAM軟件，這三者是五軸加工的核心技術，缺一不可。

關鍵詞：五軸數(shù)控加工；關鍵技術；五軸設備；加工工藝；五軸CAD/CAM軟件 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG659 文章編號：1009-2374（2015）04-0088-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0326

1 概述

眾所周知，數(shù)控機床是當今現(xiàn)代化工廠的主要制造設備，數(shù)控技術是先進制造技術的關鍵技術，傳統(tǒng)加工正在被數(shù)控加工逐步取代，數(shù)控加工技術水平已成為反映一個國家先進制造技術的重要指標之一。五軸聯(lián)動加工中心代表了數(shù)控機床的最高水平，反映了一個國家的裝備制造業(yè)的發(fā)展水平。我國的數(shù)控裝備經過六十多年的發(fā)展，在許多項技術取得很大的進步，但在高端數(shù)控加工裝備制造方面基礎還比較薄弱，在多軸聯(lián)動加工軟件平臺和數(shù)據(jù)庫開發(fā)方面還落后于世界先進水平，需進一步提升。五軸數(shù)控加工應用非常廣泛，主要應用在航空航天、水利水電、輪船等高端產品的核心部件的制造，例如具有復雜曲面結構的航空發(fā)動機大型整體葉輪、水利水電設備中的發(fā)電機轉子制造，汽車發(fā)動機中的渦輪以及模具制造等領域。這些零件都是相關產品的核心部件，直接影響產品的性能和質量。在西方裝備制造業(yè)較發(fā)達的國家，為提高生產效率，五軸聯(lián)動加工中心在制造業(yè)的各領域已得到廣泛應用。如今，隨著現(xiàn)代產品質量的提高，要求零件數(shù)量減少的同時還要求零件精度的提高，這就使得結構一體化的復雜異形件零件的需求量越來越大，其交貨時間越來越短，鑒于五軸聯(lián)動加工中心的加工優(yōu)勢以及五軸聯(lián)動加工中心價格的降低，五軸聯(lián)動加工中心將在加工制造各領域得到廣泛推廣。因此，開展五軸加工技術的研究非常有必要和意義重大。

2 五軸數(shù)控加工

所謂的五軸數(shù)控加工是指能同時控制五個以上坐標軸的聯(lián)動的數(shù)控加工，其中包括三個直線軸（XYZ）和兩個旋轉軸（ABC三個旋轉軸中的兩個）。五軸加工將各種加工功能組合在一起后，實現(xiàn)工件在一次裝夾后，完成對多個面的銑、鏜、鉆等多道工序的加工，有效地避免了多次裝夾產生的誤差，縮短了生產周期，提高零件質量。隨著結構復雜產品的廣泛應用，要求數(shù)控設備具有更高的加工能力和加工效率，由此，五軸數(shù)控加工技術得到了廣闊的發(fā)展領域。五軸數(shù)控加工的特點有：刀具可以進入型腔內部，加工三軸加工不到的部位，這種模式有利于采用短刀具加工零件的側壁和型腔，提高刀具的剛性，減小振動，提高零件的精度；減少工裝夾具數(shù)量和占地面積；減少基準轉換，提高加工精度；縮短新產品研發(fā)周期；縮短生產過程鏈，簡化生產管理。五軸加工按照聯(lián)動軸數(shù)的不同，可以分為“3+2”、“4+1”、五軸聯(lián)動加工三種模式。

2.1 “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，先要建立定位坐標系，然后確定機床的旋轉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生“臺階”，而五軸聯(lián)動加工則可以避免。

2.2 “4+1”軸加工模式

“4+1”軸加工指的是：在進行五軸加工時，一個旋轉軸（ABC軸中的一個）角度確定，剩下的三個直線軸加一個旋轉運動軸可同時做聯(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)，提高生產效率，提高零件的加工精度。

2.3 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量，同時可根據(jù)工藝要求，均勻地切除復雜曲面材料，這樣就能有效控制工件的應力和熱變化。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)動加工保證產品的質量和精度。以上三種加工模式如圖1所示：

3+2軸加工 4+1軸加工 五軸聯(lián)動加工

圖1 五軸加工模式

3 五軸加工的關鍵技術

要加工出高質量的五軸零件需要有先進的五軸設備、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置，根據(jù)機床性能后置處理生成數(shù)控程序；然后應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。

3.1 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軸的問題，它在算法、控制技術上有著很大的提升，其關鍵技術包括主軸速度、驅動技術和控制技術，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。

3.1.1 主軸速度。五軸數(shù)控機床在復雜異形件時，經常需要用到小直徑刀具來提高零件表面質量，為此需要主軸具有較高的轉速。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速。

3.1.2 驅動技術。在進行復雜曲面加工時，經常需要對五軸機床的主軸轉速和角度進行制動和變速以適應各種型面的加工。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動直線軸運動，但對于高端數(shù)控設備現(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：可簡化機床結構，減去機床中將回轉運動轉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矩電機來控制主軸頭和回轉工作臺的運動和擺動。轉矩電機是一種同步電機，屬于直接驅動裝置機構，它在轉子上固定有需要驅動的零部件，這樣就能盡量減少機械傳動零部件。轉矩電機的伺服響應靈敏，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)蝸輪蝸桿機構的6倍以上，在驅動主軸頭擺動的加速度可達3g以上。采用轉矩電機替代傳統(tǒng)的機械傳動結構可以將設備簡化，減少零部件數(shù)量，提高傳動效率，同時提高整個機構運行的穩(wěn)定性，從而提高零件的加工質量和效率。

3.1.3 控制技術。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。由于旋轉運動軸的存在，導致坐標系是運動變化的，使得編程算法比三軸機床的算法復雜很多，各種插補運算量龐大，同時細微的旋轉坐標軸誤差將導致很大的加工誤差。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，它們廣泛應用于各種高端的數(shù)控設備中。

3.2 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，五軸設備的剛性、切削能力以及被切削材料的硬度都是應該考慮的因素。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)動加工前應進行仿真驗證，避免碰撞及過切現(xiàn)象的產生。

3.3 五軸加工關鍵技術

3.3.1 刀軸控制。五軸聯(lián)動加工過程中的刀具軌跡非常復雜和抽象，為了加工出復雜異型零部件的曲面及空間，經常需要進行多次坐標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)調性，避免干涉、碰撞現(xiàn)象的產生，因此在執(zhí)行程序前需要用CAD/CAM軟件對刀軸進行驗證。

3.3.2 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程序中設定的值低（盡量先將倍率調到較低值，然后慢慢提高，直至找到一個最佳方案）；另外，當五軸設備的五個運動坐標軸都在運動時，其剛性比三軸設備要低，如果處理不好，將直接影響設備的性能和產品的加工精度。

3.3.3 CAD/CAM軟件。要實現(xiàn)復雜曲面的五軸加工，關鍵需要五軸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，在國內市場的占有率正在逐年提高?，F(xiàn)在越來越多的學校、工廠正在用powermill軟件編制五軸加工刀路，完成復雜異形零件的加工。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、生成的刀具路徑質量高效，特別適用于復雜曲面的加工，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。

3.3.4 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置，生成多軸刀路后，還需根據(jù)機床性能、零件特征，調整連接刀路參數(shù)，優(yōu)化刀具

路徑。

3.3.5 仿真驗證。由于五軸設備貴重，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。

4 結語

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)控加工的關鍵技術，包括五軸設備、加工工藝、五軸CAD/CAM軟件。在進行多軸加工時應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量。為縮短生產周期、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。

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作者簡介：曹著明（1981-），福建寧化人，北京電子科技職業(yè)學院講師，研究方向：數(shù)控加工技術。

（責任編輯：黃銀芳）