多軸加工技術(shù)及應(yīng)用1.doc

多軸加工技術(shù)應(yīng)用1、產(chǎn)品質(zhì)量的提高對產(chǎn)品性能要求提高，例如車燈模具：汽車大燈模具的精加工：用雙轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動機(jī)床加工，由于大燈模具的特殊光學(xué)效果要求，用于反光的眾多小曲面對加工的精度和光潔度都有非常高的指標(biāo)要求，特別是光潔度，幾乎要求達(dá)到鏡面效果。采用高速切削工藝裝備及五軸聯(lián)動機(jī)床用球銑刀切削出鏡面的效果，就變得很容易，而過去的較為落后的加工工藝手段就幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。2、機(jī)床模具相互促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步采用五軸聯(lián)動機(jī)床加工模具可以很快的完成模具加工，交貨快，更好的保證模具的加工質(zhì)量，使模具加工變得更加容易，并且使模具修改變得容易。在傳統(tǒng)的模具加工中，一般用立式加工中心來完成工件的銑削加工。隨著模具制造技術(shù)的不斷發(fā)展，立式加工中心本身的一些弱點(diǎn)表現(xiàn)得越來越明顯?，F(xiàn)代模具加工普遍使用球頭銑刀來加工，球頭銑刀在模具加工中帶來好處非常明顯，但是如果用立式加工中心的話，其底面的線速度為零，這樣底面的光潔度就很差，如果使用四、五軸聯(lián)動機(jī)床加工技術(shù)加工模具，可以克服上述不足。一、 多軸加工涵義：我們熟悉的數(shù)控機(jī)床有XYZ三個直線坐標(biāo)軸多軸指在一臺機(jī)床上至少具備第4軸三個旋轉(zhuǎn)軸為A、B、C多軸加工準(zhǔn)確地說應(yīng)該是多坐標(biāo)加工，它與普通的二坐標(biāo)平面輪廓加工、點(diǎn)位加工三坐標(biāo)曲面加工的本質(zhì)區(qū)別是增加了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，也就是說多軸加工時刀具軸線的相對于工件不再是固定不變的，而是根據(jù)需要刀軸角度是變化的。二、 應(yīng)用前景：1、零件集成度提高，產(chǎn)品設(shè)計(jì)及更新?lián)Q代加快；零件越來越小巧，功能越來越多，產(chǎn)品零件越來越復(fù)雜，產(chǎn)品質(zhì)量高（焊接，鉚接減少，制造周期縮短）2、醫(yī)療器械（人工關(guān)節(jié)等）隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們知識水平及生活水平的不斷提高，對生活質(zhì)量要求也提高了，人工關(guān)節(jié)應(yīng)用越來越廣泛。3、軍事愛好軍事的朋友可能知道著名的“東芝事件”：上世紀(jì)八十年代末，日本東芝公司賣給前蘇聯(lián)幾臺五軸聯(lián)動的數(shù)控銑床，結(jié)果讓前蘇聯(lián)用于制造潛艇的推進(jìn)螺旋槳，上了幾個檔次，使美國間諜船的聲納監(jiān)聽不到潛艇的聲音了，所以美國以東芝公司違反了戰(zhàn)略物資禁運(yùn)政策，要懲處東芝公司。我們學(xué)校購買的北京一機(jī)數(shù)控銑床系統(tǒng)為Siemens810D，應(yīng)該是四軸系統(tǒng)，說明書第一頁注明：此系統(tǒng)四軸對中國大陸地區(qū)禁運(yùn)，包括現(xiàn)在DMG的五軸加工機(jī)床對軍工企業(yè)不予銷售。三、 五軸加工分類：（比如要加工一個人的立體頭像，三軸只能夠加工面部，就像浮雕一樣的效果，四軸就可以加工整個頭像，脖子和下巴之間的凹陷部位可能就不好加工，耳朵的內(nèi)部就不能加工，五軸就可以做到。）1、 五軸聯(lián)動加工：五個軸同時運(yùn)動使刀具到達(dá)預(yù)訂位置，完成切削。根據(jù)不同角度來調(diào)整刀具加工角度。此類零件占五軸加工類零件的5%，例如：發(fā)動機(jī)的葉片、船用螺旋槳、各種人工關(guān)節(jié)骨骼等。渦輪增壓葉輪 人工關(guān)節(jié)銼零件圖和三維圖分別如下：關(guān)節(jié)（手部）2、 五軸定位加工：即“3+2”（五面體）加工方式，兩個旋轉(zhuǎn)軸根據(jù)不同需要轉(zhuǎn)動到一定的角度，然后鎖緊進(jìn)行加工，當(dāng)完成某一加工區(qū)域后，再根據(jù)需要調(diào)整兩個旋轉(zhuǎn)軸的加工。此類零件占五軸加工類零件的95%，見下圖：也有很多零件是兩者綜合的，例如第四屆數(shù)控大賽的零件如下：四、 五軸形式：五軸聯(lián)動機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)有三種。一是適用于小型零件加工的雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)；二是適用于中型零件加工的轉(zhuǎn)臺+擺軸結(jié)構(gòu)；三是適用于大型零件加工的雙擺頭龍門結(jié)構(gòu)等 。1、五坐標(biāo)聯(lián)動雙轉(zhuǎn)臺機(jī)床 (A)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)有足夠的行程范圍，工藝性能好 (B)由于受結(jié)構(gòu)的限制，擺動坐標(biāo)的剛性較低，成為整個機(jī)床剛性的薄弱環(huán)節(jié)而雙轉(zhuǎn)臺機(jī)床，轉(zhuǎn)臺的剛性大大高于擺頭的剛性，從而提高了機(jī)床總體剛性. (C)便于發(fā)展成為加工中心只需加裝獨(dú)立式刀庫及換刀機(jī)械手即可但雙轉(zhuǎn)臺機(jī)床轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)驅(qū)動功率較大，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系較復(fù)雜；2、 五坐標(biāo)聯(lián)動一擺頭一轉(zhuǎn)臺機(jī)床 一擺頭一轉(zhuǎn)臺式機(jī)床性能則介于上述兩者之間3、五坐標(biāo)聯(lián)動雙擺頭機(jī)床 雙擺頭機(jī)床擺動坐標(biāo)驅(qū)動功率較小，工件裝卸方便且坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系簡單 五、 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：1、加工效率高 減少加工流程，減少工件裝夾次數(shù)，減少放電區(qū)域，較少的模具拋光工序。= 節(jié)省時間及降低成本2、加工質(zhì)量高 使用較短的刀具，穩(wěn)定的加工精度，平滑的表面質(zhì)量。= 提高加工精度3、改善刀具切削環(huán)境 避免了球頭銑刀中心切削速度為零的現(xiàn)象 = 延長了刀具壽命，提高了工件表面光潔度 = 降低了刀具成本刀具可達(dá)性好4、避免過切清根徹底六、 軸加工機(jī)床的現(xiàn)狀多軸加工機(jī)床多為美國、日本、德國、意大利制造，例如美國的哈斯、日本的瑪扎克、德國的德瑪吉、巨浪等品牌在全球的市場占有率很高。 目前我國的沈陽機(jī)床廠、大連機(jī)床廠、濟(jì)南機(jī)床廠等也能夠生產(chǎn)五軸加工機(jī)床。優(yōu)勢是：國有自主技術(shù)、價廉物美、易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)教學(xué)、售前及售后服務(wù)便捷、實(shí)際案例培訓(xùn)等。受到院校歡迎，已不再是“高級展示品”七、 職業(yè)院校應(yīng)用情況國內(nèi)的一些高等職業(yè)院校從五年前開始引進(jìn)四軸和五軸加工機(jī)床。隨著對多軸加工技術(shù)的深入理解，目前許多的職業(yè)院校已經(jīng)把多軸加工技術(shù)引入教學(xué)中。八、 五軸數(shù)控加工難點(diǎn)1、編程復(fù)雜、難度大、對使用者CAM軟件應(yīng)用水平要求高；在三坐標(biāo)銑削加工和普通的兩坐標(biāo)車削加工中，作為加工程序的NC代碼的主體即是眾多的坐標(biāo)點(diǎn)，控制系統(tǒng)通過坐標(biāo)點(diǎn)來控制刀尖參考點(diǎn)的運(yùn)動，從而加工出需要的零件形狀。在編程的過程中，只需要通過對零件模型進(jìn)行計(jì)算，在零件上得到點(diǎn)位數(shù)據(jù)即可。而在多軸加工中，不僅需要計(jì)算出點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)，更需要得到坐標(biāo)點(diǎn)上的矢量方向數(shù)據(jù)，這個矢量方向在加工中通常用來表達(dá)刀具的刀軸方向，這就對計(jì)算能力提出了挑戰(zhàn)。目前這項(xiàng)工作最經(jīng)濟(jì)的解決方案是通過計(jì)算機(jī)和CAM軟件來完成，眾多的CAM軟件都具有這方面的能力。但是，這些軟件在使用和學(xué)習(xí)上難度比較大，編程過程中需要考慮的因素比較多，能使用CAM軟件編程的技術(shù)人員成為多坐標(biāo)加工的一個瓶頸因素。比如常采用UG、Powermill等軟件。2、熟悉機(jī)床結(jié)構(gòu)及后處理，需要采用輔助的加工仿真優(yōu)化軟件；即使利用CAM軟件，從目標(biāo)零件上獲得了點(diǎn)位數(shù)據(jù)和矢量方向數(shù)據(jù)之后，并不代表這些數(shù)據(jù)可以直接用來進(jìn)行實(shí)際加工。因?yàn)殡S著機(jī)床結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的不同，這些數(shù)據(jù)如何能準(zhǔn)確地解釋為機(jī)床的運(yùn)動，是多坐標(biāo)聯(lián)動加工需要著重解決的問題。以五坐標(biāo)聯(lián)動的銑削機(jī)床為例，從結(jié)構(gòu)類型上看，分為雙轉(zhuǎn)臺、雙擺頭、單擺頭/單轉(zhuǎn)臺三大類，每大類中由于機(jī)床運(yùn)動部件的運(yùn)動方式的不同而有所不同。以直線軸Z軸為例，對于立式設(shè)備來說，人們編程時習(xí)慣以Z軸向上為正方向，但是有些設(shè)備是通過主軸頭固定而工作臺向下移動，產(chǎn)生的刀具相對向上移動實(shí)現(xiàn)的Z軸正方向移動；有些設(shè)備是工作臺固定而主軸頭向上移動，產(chǎn)生的刀具向上移動。在刀具參考坐標(biāo)系和零件參考坐標(biāo)系的相對關(guān)系中，不同的機(jī)床結(jié)構(gòu)對三坐標(biāo)加工中心沒有什么影響，但是對于多軸聯(lián)動的設(shè)備來說就不同了，這些相對運(yùn)動關(guān)系的不同對加工程序有著不同的要求。由于機(jī)床控制系統(tǒng)的不同，對刀具補(bǔ)償?shù)姆绞胶统绦虻母袷揭捕加胁煌囊?。因此，僅僅利用CAM軟件計(jì)算出點(diǎn)位數(shù)據(jù)和矢量方向并不能真正地滿足最終的加工需要。這些點(diǎn)位數(shù)據(jù)和矢量方向數(shù)據(jù)就是前置文件。我們還需要利用另外的工具將這些前置文件轉(zhuǎn)換成適合機(jī)床使用的加工程序，這個工具就是后處理。比如Vericut等仿真軟件。3、數(shù)控系統(tǒng)多采用Siemens840D和Heidenhain iTNC530等高檔數(shù)控系統(tǒng)，需要全面掌握數(shù)控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能；4、五軸加工和高速加工緊密結(jié)合l 高速電主軸在模具自由曲面和復(fù)雜輪廓的加工中，常常采用212mm較小直徑的立銑刀，而在加工銅或石墨材料的電火花加工用的電極時，要求很高的切削速度，因此，電主軸必須具有很高的轉(zhuǎn)速l 高速加工中心或銑床上多數(shù)還是采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠來驅(qū)動直線坐標(biāo)軸，但部分加工中心已采用直線電機(jī)，于這種直線驅(qū)動免去了將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動的傳動元件，從而可顯著提高軸的動態(tài)性能、移動速度和加工精度。直線電機(jī)可以顯著提高高速機(jī)床的動態(tài)性能。由于模具大多數(shù)是三維曲面，刀具在加工曲面時，刀具軸要不斷進(jìn)行制動和加速。只有通過較高的軸加速度才能在很高的軌跡速度情況下，在較短的軌跡路徑上確保以恒定的每齒進(jìn)給量跟蹤給定的輪廓。如果曲面輪廓的曲率半徑愈小，進(jìn)給速度愈高，那么要求的軸加速度愈高。因此，機(jī)床的軸加速度在很