五軸數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)探討

曹著明　紀(jì)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(fù)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(diǎn)、分類(lèi)；描述了五軸數(shù)控加工中3+2、4+1、5軸聯(lián)動(dòng)三種加工模式的特點(diǎn)以及加工范圍；著重介紹了五軸加工的關(guān)鍵技術(shù)，包括五軸設(shè)備、加工工藝、五軸CAD/CAM軟件，這三者是五軸加工的核心技術(shù)，缺一不可。

關(guān)鍵詞：五軸數(shù)控加工；關(guān)鍵技術(shù)；五軸設(shè)備；加工工藝；五軸CAD/CAM軟件 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TG659 文章編號(hào)：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(jī)床是當(dāng)今現(xiàn)代化工廠的主要制造設(shè)備，數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，傳統(tǒng)加工正在被數(shù)控加工逐步取代，數(shù)控加工技術(shù)水平已成為反映一個(gè)國(guó)家先進(jìn)制造技術(shù)的重要指標(biāo)之一。五軸聯(lián)動(dòng)加工中心代表了數(shù)控機(jī)床的最高水平，反映了一個(gè)國(guó)家的裝備制造業(yè)的發(fā)展水平。我國(guó)的數(shù)控裝備經(jīng)過(guò)六十多年的發(fā)展，在許多項(xiàng)技術(shù)取得很大的進(jìn)步，但在高端數(shù)控加工裝備制造方面基礎(chǔ)還比較薄弱，在多軸聯(lián)動(dòng)加工軟件平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)方面還落后于世界先進(jìn)水平，需進(jìn)一步提升。五軸數(shù)控加工應(yīng)用非常廣泛，主要應(yīng)用在航空航天、水利水電、輪船等高端產(chǎn)品的核心部件的制造，例如具有復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)大型整體葉輪、水利水電設(shè)備中的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子制造，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪以及模具制造等領(lǐng)域。這些零件都是相關(guān)產(chǎn)品的核心部件，直接影響產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。在西方裝備制造業(yè)較發(fā)達(dá)的國(guó)家，為提高生產(chǎn)效率，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心在制造業(yè)的各領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。如今，隨著現(xiàn)代產(chǎn)品質(zhì)量的提高，要求零件數(shù)量減少的同時(shí)還要求零件精度的提高，這就使得結(jié)構(gòu)一體化的復(fù)雜異形件零件的需求量越來(lái)越大，其交貨時(shí)間越來(lái)越短，鑒于五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的加工優(yōu)勢(shì)以及五軸聯(lián)動(dòng)加工中心價(jià)格的降低，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心將在加工制造各領(lǐng)域得到廣泛推廣。因此，開(kāi)展五軸加工技術(shù)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(shí)控制五個(gè)以上坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)的數(shù)控加工，其中包括三個(gè)直線軸（XYZ）和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（ABC三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸中的兩個(gè)）。五軸加工將各種加工功能組合在一起后，實(shí)現(xiàn)工件在一次裝夾后，完成對(duì)多個(gè)面的銑、鏜、鉆等多道工序的加工，有效地避免了多次裝夾產(chǎn)生的誤差，縮短了生產(chǎn)周期，提高零件質(zhì)量。隨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，要求數(shù)控設(shè)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(shù)得到了廣闊的發(fā)展領(lǐng)域。五軸數(shù)控加工的特點(diǎn)有：刀具可以進(jìn)入型腔內(nèi)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(cè)壁和型腔，提高刀具的剛性，減小振動(dòng)，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(zhǔn)轉(zhuǎn)換，提高加工精度；縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期；縮短生產(chǎn)過(guò)程鏈，簡(jiǎn)化生產(chǎn)管理。五軸加工按照聯(lián)動(dòng)軸數(shù)的不同，可以分為“3+2”、“4+1”、五軸聯(lián)動(dòng)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(guò)程中，在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（ABC中的兩個(gè)）的矢量方向確定后，3個(gè)直線軸（XYZ）做三軸聯(lián)合運(yùn)動(dòng)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(shí)，可使用短刀具加工提高加工剛性。在進(jìn)行“3+2”五軸加工模式時(shí)，先要建立定位坐標(biāo)系，然后確定機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸后在進(jìn)行零件的定位加工，在斜面上加工孔時(shí)，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(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)五軸機(jī)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(shí)兩個(gè)向量之間存在加工界限，在精度不高的五軸機(jī)床上加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生“臺(tái)階”，而五軸聯(lián)動(dòng)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(jìn)行五軸加工時(shí)，一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（ABC軸中的一個(gè)）角度確定，剩下的三個(gè)直線軸加一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸可同時(shí)做聯(lián)合運(yùn)動(dòng)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(lèi)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。

2.3 五軸聯(lián)動(dòng)加工

五軸聯(lián)動(dòng)加工指五個(gè)運(yùn)動(dòng)軸（包括XYZ三個(gè)直線軸和ABC中的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸）同時(shí)運(yùn)動(dòng)對(duì)零件進(jìn)行加工的一種模式。在進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)加工時(shí)，可對(duì)加工過(guò)程中的刀具軸線方向進(jìn)行優(yōu)化，改變刀軸的矢量方向，保證在整個(gè)刀具路徑上都可保持最高效的切削模式，具有連續(xù)性，沒(méi)有加工的接刀痕跡，表面粗糙度好等優(yōu)點(diǎn)。五軸聯(lián)動(dòng)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(shí)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(dòng)機(jī)的整體葉輪時(shí)都需用到五軸聯(lián)動(dòng)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：

3+2軸加工 4+1軸加工 五軸聯(lián)動(dòng)加工

圖1 五軸加工模式

3 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(jìn)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(jī)床性能后置處理生成數(shù)控程序；然后應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行欠切、過(guò)切、碰撞檢測(cè)以及試切削；最后操作五軸機(jī)床完成零件的加工。

3.1 五軸機(jī)床

五軸數(shù)控機(jī)床相對(duì)于三軸數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，不僅僅是增加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的問(wèn)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(dòng)技術(shù)和控制技術(shù)，這些參數(shù)影響了五軸數(shù)控機(jī)床的加工范圍和加工精度。

3.1.1 主軸速度。五軸數(shù)控機(jī)床在復(fù)雜異形件時(shí)，經(jīng)常需要用到小直徑刀具來(lái)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(jī)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(lái)提高效率，減少能量損耗。在細(xì)微銑削（銑刀直徑一般采用0.1～2mm）加工過(guò)程中，需要機(jī)床具備更高的主軸轉(zhuǎn)速。

3.1.2 驅(qū)動(dòng)技術(shù)。在進(jìn)行復(fù)雜曲面加工時(shí)，經(jīng)常需要對(duì)五軸機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和角度進(jìn)行制動(dòng)和變速以適應(yīng)各種型面的加工。為達(dá)到在較高的進(jìn)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(guò)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(jī)和滾珠絲杠來(lái)驅(qū)動(dòng)直線軸運(yùn)動(dòng)，但對(duì)于高端數(shù)控設(shè)備現(xiàn)已開(kāi)始采用直線電機(jī)，如德國(guó)DMU公司的DMC75VLinear高速五軸加工中心。直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)包括：可簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，減去機(jī)床中將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)態(tài)性能及移動(dòng)線速度的穩(wěn)定性。

如今，大部分的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心基本都采用轉(zhuǎn)矩電機(jī)來(lái)控制主軸頭和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)。轉(zhuǎn)矩電機(jī)是一種同步電機(jī)，屬于直接驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)，它在轉(zhuǎn)子上固定有需要驅(qū)動(dòng)的零部件，這樣就能盡量減少機(jī)械傳動(dòng)零部件。轉(zhuǎn)矩電機(jī)的伺服響應(yīng)靈敏，輸出扭矩大、無(wú)傳動(dòng)間隙、無(wú)零件間的接觸傳動(dòng)（避免磨耗）等特點(diǎn)，其角速度是傳統(tǒng)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的6倍以上，在驅(qū)動(dòng)主軸頭擺動(dòng)的加速度可達(dá)3g以上。采用轉(zhuǎn)矩電機(jī)替代傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)可以將設(shè)備簡(jiǎn)化，減少零部件數(shù)量，提高傳動(dòng)效率，同時(shí)提高整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而提高零件的加工質(zhì)量和效率。

3.1.3 控制技術(shù)。五軸聯(lián)動(dòng)加工就是要實(shí)現(xiàn)5個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的同時(shí)運(yùn)動(dòng)，完成零件的加工。由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸的存在，導(dǎo)致坐標(biāo)系是運(yùn)動(dòng)變化的，使得編程算法比三軸機(jī)床的算法復(fù)雜很多，各種插補(bǔ)運(yùn)算量龐大，同時(shí)細(xì)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(dòng)加工中心數(shù)控系統(tǒng)具備強(qiáng)大的控制和伺服能力以及高效的運(yùn)算速度和控制精度，同時(shí)還要求系統(tǒng)具備良好的刀軸中心點(diǎn)控制管理能力，實(shí)現(xiàn)刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)圓柱面和傾斜工作面的高效加工。目前在五軸聯(lián)動(dòng)加工中，常用的數(shù)控系統(tǒng)有：德國(guó)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。

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(kāi)的原則進(jìn)行工藝劃分；按刀具集中分，按選擇的刀具進(jìn)行工藝的劃分，可以減少換刀次數(shù)，縮短加工時(shí)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(yuǎn)、先簡(jiǎn)后繁、先平面后孔。五軸聯(lián)動(dòng)精加工時(shí)，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(jī)械加工工藝規(guī)程，在五軸精加工時(shí)一般預(yù)留0.5～0.8mm的余量精加工。過(guò)大的切削量是不允許的，它將對(duì)五軸機(jī)床的主軸造成損壞，因此工藝人員在制定工藝方案時(shí)，應(yīng)著重考慮五軸聯(lián)動(dòng)加工時(shí)的切削參數(shù)，并書(shū)面告知操作人員注意事項(xiàng)。同時(shí)在進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)加工前應(yīng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，避免碰撞及過(guò)切現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3.3 五軸加工關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 刀軸控制。五軸聯(lián)動(dòng)加工過(guò)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(jìn)行多次坐標(biāo)系和刀軸的變化來(lái)完成零件的加工，同時(shí)還要考慮各運(yùn)動(dòng)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(duì)刀軸進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3.2 試切加工。在五軸聯(lián)動(dòng)加工過(guò)程中，為提高多軸加工的效率及保證加工系統(tǒng)的剛性，實(shí)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(gè)最佳方案）；另外，當(dāng)五軸設(shè)備的五個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸都在運(yùn)動(dòng)時(shí)，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。

3.3.3 CAD/CAM軟件。要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的五軸加工，關(guān)鍵需要五軸CAD/CAM軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)加工工藝。如今能進(jìn)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(qiáng)大，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的占有率正在逐年提高?，F(xiàn)在越來(lái)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(lái)越受到機(jī)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(duì)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(shí)，要避免刀軸不必要的、過(guò)度的擺動(dòng)，防止因機(jī)床主軸或工作臺(tái)過(guò)于頻繁的擺動(dòng)，造成機(jī)床的損壞。在進(jìn)行刀路優(yōu)化時(shí)，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(jī)床性能、零件特征，調(diào)整連接刀路參數(shù)，優(yōu)化刀具

路徑。

3.3.5 仿真驗(yàn)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(wèn)題較多，所以實(shí)際加工前一定要先進(jìn)行模擬加工。如今的CAM軟件基本只能進(jìn)行程序的驗(yàn)證，很難仿真實(shí)際的工藝工裝等實(shí)際加工情境，所以在進(jìn)行實(shí)際的五軸聯(lián)動(dòng)加工前，建議編程人員使用專(zhuān)業(yè)的多軸數(shù)控仿真軟件（VERICUT）進(jìn)行仿真加工，來(lái)驗(yàn)證工藝及程序的安全性、可靠性，同時(shí)增強(qiáng)操作者和機(jī)床的安全保障。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了五軸加工的定義、特點(diǎn)、分類(lèi)；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(jìn)行多軸加工時(shí)應(yīng)對(duì)這三者進(jìn)行深入研究，找出最佳方案，選用最佳參數(shù)，才能實(shí)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(jiǎn)化工藝工裝，降低由于操作誤差對(duì)產(chǎn)品精度的影響，大大縮短了切削加工時(shí)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(jìng)爭(zhēng)力，越來(lái)越多的制造類(lèi)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(jiǎn)介：曹著明（1981-），福建寧化人，北京電子科技職業(yè)學(xué)院講師，研究方向：數(shù)控加工技術(shù)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）