探討改進(jìn)多軸機(jī)床加工方法

余兆

摘 要 隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速的發(fā)展，工業(yè)機(jī)械在工業(yè)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用中非常廣泛。本文通過對現(xiàn)有多軸機(jī)床加工方法的研究，分析了多軸機(jī)床在運(yùn)作過程中存在的問題，并針提出了主要改進(jìn)措施和方向。

關(guān)鍵詞 工業(yè)機(jī)械 多軸機(jī)床 改進(jìn)措施

中圖分類號：TG502 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

數(shù)控機(jī)床對于現(xiàn)如今的現(xiàn)代化工廠來說，是最主要的生產(chǎn)制造設(shè)備。多軸數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床在加工工藝上有更大的優(yōu)勢，傳統(tǒng)加工機(jī)床正在慢慢都被數(shù)控機(jī)床替代。而其中五軸聯(lián)動加工中心是數(shù)控機(jī)床中加工技術(shù)最高的一種多軸數(shù)控機(jī)床。五軸數(shù)控機(jī)床在工業(yè)生產(chǎn)和制造上的應(yīng)用非常廣泛，例如：

（1）復(fù)雜曲面類零件。在航空、航天及運(yùn)輸業(yè)中，具有復(fù)雜曲面的零件應(yīng)用很廣泛，如凸輪、航空發(fā)動機(jī)的整體葉輪、螺旋槳、模具型腔等。這類具有復(fù)雜曲線、曲面輪廓的零件盒形或殼體零件，采用普通機(jī)床加工或精密鑄造難以達(dá)到預(yù)定的加工精度，且難以檢測。而使用多軸聯(lián)動的加工中心，配臺自動編程技術(shù)和專用刀具，可以大大提高其生產(chǎn)效率并保證曲面的形狀精度，使復(fù)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(guī)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(fù)雜，精度要求越高，使用加工中心越能顯示其優(yōu)越性。

1多軸數(shù)控機(jī)床的類型

目前我國五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)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(lián)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(lián)動的高檔數(shù)控系統(tǒng)，還可以對復(fù)雜的空間曲面進(jìn)行高精度加工，更能夠適宜象汽車零部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等現(xiàn)代模具的加工。

五軸聯(lián)動數(shù)控是數(shù)控技術(shù)中難度最大、應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)。它集計算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工技術(shù)于一體，應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動化加工。五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床是發(fā)電、船舶、航天航空、模具、高精密儀器等民用工業(yè)和軍工部門迫切需要的關(guān)鍵加工設(shè)備。國際上把五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)作為一個國家工業(yè)化水平的標(biāo)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(tài)的加工中心，其結(jié)構(gòu)形式多為固定立柱，工作臺為長方形，無分度回轉(zhuǎn)功能，適合加工盤、套、板類零件，它一般具有三個直線運(yùn)動坐標(biāo)軸，并可在工作臺上安裝一個沿水平軸旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)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(diào)試程序容易，應(yīng)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(yán)重時會損壞刀具，破壞已加工表面，影響加工的順利進(jìn)行。

立式五軸加工中心有兩種不同形式的回轉(zhuǎn)軸，包括工作臺回轉(zhuǎn)軸以及工作臺，中間另設(shè)有一個回轉(zhuǎn)臺還讓另一個軸回轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)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(tài)的加工中心，通常都帶有自動分度的回轉(zhuǎn)工作臺，它一般具有3～5個運(yùn)動坐標(biāo)，常見的是三個直線運(yùn)動坐標(biāo)加一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動坐標(biāo)， 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(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較高。

臥式五軸加工中心也的回轉(zhuǎn)軸也有兩種形式，一種是主軸擺動，固定成為一個回轉(zhuǎn)軸，與工作臺上的，另一個回轉(zhuǎn)軸相互配合從而對部件進(jìn)行立體加工。另外一種回轉(zhuǎn)軸相對來說傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)軸。這種回轉(zhuǎn)軸同樣設(shè)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(zhuǎn)軸，而且該旋轉(zhuǎn)軸可以進(jìn)行雙向操作，回轉(zhuǎn)的角度為360度。

2多軸機(jī)床的優(yōu)勢和加工特點

2.1加工精度高

多軸數(shù)控機(jī)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(shù)量少占地面積小

多軸數(shù)控機(jī)床有一個非常明顯的優(yōu)勢，那就是工裝夾具數(shù)量少，設(shè)備占地面積小。也正因為如此，在對機(jī)床設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用上也會有所減少，給企業(yè)節(jié)約了支出成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益。

2.3能進(jìn)行自由曲線及多面體復(fù)雜構(gòu)件的加工

由于三軸數(shù)控機(jī)床一般是由三個直線軸構(gòu)成的，所以，不能一次性加工完成連續(xù)并且平滑的自由曲面。而五軸數(shù)控機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，編程難度大，因此使得五軸數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行復(fù)雜程度較高的部件加工更有優(yōu)勢。

2.4生產(chǎn)周期短易于管理

采用多軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行各種零部件的加工，能夠有效的縮短生產(chǎn)周期。而且由于所有的加工任務(wù)都只交給一個工作崗位，對于企業(yè)的生產(chǎn)管理帶來更高的效率。

2.5縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期

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

3多軸數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)存在的問題

雖然多種數(shù)控機(jī)床在加工技術(shù)上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比三軸數(shù)控機(jī)床的加工技術(shù)高，但是，就目前我國對多軸數(shù)控機(jī)床的研究和開發(fā)，跟國外先進(jìn)的多軸數(shù)控機(jī)床相比，還存在著一些問題和不足，如果能夠?qū)⑦@些不足和問題加以研究和改進(jìn)，就會使多軸數(shù)控機(jī)床有進(jìn)一步的提升。

3.1非線性誤差和奇異性問題

五軸數(shù)控機(jī)床在運(yùn)作過程中其動力學(xué)要比三軸機(jī)床復(fù)雜的多，由于五軸數(shù)控機(jī)床有旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的存在，基于此，也就出現(xiàn)了跟旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)有關(guān)的非線性誤差問題。另外一個問題是奇異性問題，當(dāng)奇異點處于極限位置時，那么，其附近的任何震蕩都會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)180度的翻轉(zhuǎn)。這種情況會導(dǎo)致嚴(yán)重的問題發(fā)生。非線性誤差這種問題的出現(xiàn)一般都是因為數(shù)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(shù)控機(jī)床的機(jī)械誤差問題

由于五軸數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)和加工工藝上比三軸數(shù)控機(jī)床更為復(fù)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(shù)控機(jī)床在加工過程當(dāng)中有更高的精度和更高的效率，就必須要克服，數(shù)控機(jī)床本身的機(jī)械誤差，重復(fù)定位誤差以及機(jī)床中心數(shù)據(jù)誤差，基本上這些誤差都無法進(jìn)行人為的干預(yù)和消除。

4改進(jìn)多軸數(shù)控機(jī)床加工方案的具體措施

4.1機(jī)床加工工藝的制定

4.1.1加工基準(zhǔn)與測量基準(zhǔn)之間的關(guān)系

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

4.1.2粗、精基準(zhǔn)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(zhǔn)， 我們把這個定位表面稱為粗基準(zhǔn)。

粗基準(zhǔn)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(yīng)以不加工表面作為粗基準(zhǔn)。如果在工件上有很多不需加工的表面， 則應(yīng)以其中與加工面的位置精度要求較高的表面作粗基準(zhǔn)。

（2）如果必須首先保證工件某重要表面的余量均勻， 應(yīng)選擇該表面作粗基準(zhǔn)。

（3）選作粗基準(zhǔn)的表面，應(yīng)平整，沒有澆、冒口或飛邊等缺陷，以便定位可靠。

（4）粗基準(zhǔn)一般只能使用一次，特別是主要定位基準(zhǔn)，以免產(chǎn)生較大的位置誤差。

用工件的已加工表面做定位基準(zhǔn)稱精基準(zhǔn)。

精基準(zhǔn)的選擇如下：

（1）用工序基準(zhǔn)作為精基準(zhǔn)， 實現(xiàn)“基準(zhǔn)重合”， 以免產(chǎn)生基準(zhǔn)不重合誤差。

（2）當(dāng)工件以某一組精基準(zhǔn)定位可以較方便的加工其他各表面時，應(yīng)盡可能 在多數(shù)工序中采用此組精基準(zhǔn)定位， 實現(xiàn)“基準(zhǔn)統(tǒng)一”， 以減少工裝設(shè)計制造費(fèi) 用、提高生產(chǎn)率、避免基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換誤差。

（3）當(dāng)精加工或光整加工工序要求余量盡量小而均勻時，應(yīng)選擇加工表面本 身作為精基準(zhǔn)， 即遵循“自為基準(zhǔn)”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(zhǔn)、反復(fù)加工的原則。

4.2減少編程誤差

數(shù)控加工編程是保證多軸數(shù)控機(jī)床能夠有效運(yùn)作的基本條件，也是能夠保證加工零件的精確度和其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的根本。因此，在改進(jìn)多軸數(shù)控機(jī)床加工方法的同時，要做好多軸數(shù)控機(jī)床的加工編程。可從多軸數(shù)控加工編程的具體步驟進(jìn)行一一的改進(jìn)和操作。

4.2.1首先根據(jù)模型定義切削策略

根據(jù)模型定義切削策略是保證部件加工后進(jìn)度和準(zhǔn)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(shè)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(wěn)的原則，保持切削載荷的穩(wěn)定。

4.2.3選擇合適的切削參數(shù)

在選擇切削參數(shù)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(jù)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(jù)直徑等各項參數(shù)，確定切削的速度，主軸的轉(zhuǎn)速以及切削的深度等。

4.2.4機(jī)床誤差

要充分考慮到機(jī)床誤差的存在，要在加工策略中給加工余量預(yù)留足夠的余量，在選擇和編制加工策略時，要結(jié)合機(jī)床誤差進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

4.3有效實施誤差補(bǔ)償方法

有效的降低五軸數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)存在的各種誤差，那么就必須要針對不同類型的多軸數(shù)控機(jī)床對產(chǎn)生的誤差進(jìn)行檢測，辨識，最后針對性的進(jìn)行改進(jìn)方案的設(shè)計和實施。以高壓鍋輪類機(jī)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(nèi)加工。兩次加工存在著重復(fù)定位誤差可機(jī)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(jī)床的主軸利用數(shù)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(biāo)記。其次，利用公式計算出空間偏差在坐標(biāo)系中的補(bǔ)償值。最后，重新進(jìn)行程序的運(yùn)行。這種誤差補(bǔ)償法能效的降低多軸數(shù)控機(jī)床存在的差誤差。這個補(bǔ)償值可以通過兩種方法去實現(xiàn)補(bǔ)償，一是在加工策略參數(shù)中（告訴給編程的軟件），二是在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)置（告訴給機(jī)床）。

5結(jié)束語

由于多軸數(shù)控機(jī)床的復(fù)雜性較高，在使用過程當(dāng)中仍然會存在一些問題，企業(yè)在多軸數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用上還要根據(jù)加工部件和機(jī)床本身的實際情況對多軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行更加全面的研究與分析，為企業(yè)自身發(fā)展提供更有力的幫助。

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