五軸數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)探討

1、五軸數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)討論摘要：五軸數(shù)控加工是一種高效的數(shù)控加工形式，能加工復(fù)雜異形零件，大大進(jìn)步零件的加工精度。文章介紹了五軸加工的定義、特點(diǎn)、分類；描繪了五軸數(shù)控加工中3+2、4+1、5軸聯(lián)動三種加工形式的特點(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)識碼：A1 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)程度已成為反映一個(gè)國家先進(jìn)制造技

2、術(shù)的重要指標(biāo)之一。五軸聯(lián)動加工中心代表了數(shù)控機(jī)床的最高程度，反映了一個(gè)國家的裝備制造業(yè)的開展程度。我國的數(shù)控裝備經(jīng)過六十多年的開展，在許多項(xiàng)技術(shù)獲得很大的進(jìn)步，但在高端數(shù)控加工裝備制造方面根底還比較薄弱，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(jìn)程度，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)雜曲面構(gòu)造的航空發(fā)動機(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，汽車發(fā)動機(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)較興隆的國家，為進(jìn)步消費(fèi)效率，五軸聯(lián)動加工中

3、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)量的進(jìn)步，要求零件數(shù)量減少的同時(shí)還要求零件精度的進(jìn)步，這就使得構(gòu)造一體化的復(fù)雜異形件零件的需求量越來越大，其交貨時(shí)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(jià)格的降低，五軸聯(lián)動加工中心將在加工制造各領(lǐng)域得到廣泛推廣。因此，開展五軸加工技術(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，完成對多個(gè)面的銑、鏜、鉆等多道工序的加工，有效地防止了屢次裝

4、夾產(chǎn)生的誤差，縮短了消費(fèi)周期，進(jìn)步零件質(zhì)量。隨著構(gòu)造復(fù)雜產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，要求數(shù)控設(shè)備具有更高的加工才能和加工效率，由此，五軸數(shù)控加工技術(shù)得到了廣闊的開展領(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，這種形式有利于采用短刀具加工零件的側(cè)壁和型腔，進(jìn)步刀具的剛性，減小振動，進(jìn)步零件的精度；減少工裝夾具數(shù)量和占地面積；減少基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，進(jìn)步加工精度；縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期；縮短消費(fèi)過程鏈，簡化消費(fèi)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)動加工三種形式?！?+2加工是五軸加工的常用形式，它指的是在五軸加工過程中，在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸ABC中的兩個(gè)的矢量方向確定后

5、，3個(gè)直線軸XYZ做三軸結(jié)合運(yùn)動完成零件加工的方式。這種加工形式可以進(jìn)步消費(fèi)效率，減少裝夾次數(shù)，防止零件的安裝誤差。這種加工形式在加工箱體、模具零件的底部或側(cè)壁時(shí)，可使用短刀具加工進(jìn)步加工剛性。在進(jìn)展“3+2五軸加工形式時(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)展零件的定位加工，在斜面上加工孔時(shí)，采用這種加工形式，表達(dá)出很高的效率?！?+2形式的五軸加工編程相對簡單，對五軸機(jī)床的磨損小旋轉(zhuǎn)軸的使用壽命比直線的使用壽命低。“3+2形式的五軸加工缺乏是：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)會產(chǎn)生“臺階，而五軸聯(lián)動加工那么可以防止。2.2 “4+1軸加工形式“4+1軸

6、加工指的是：在進(jìn)展五軸加工時(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)動軸可同時(shí)做結(jié)合運(yùn)動完成零件的加工。這種五軸加工形式適宜加工近似回轉(zhuǎn)體類的零件。在保證刀具不干預(yù)的情況下使用采用“4+1軸加工可以減少零件裝夾次數(shù)，進(jìn)步消費(fèi)效率，進(jìn)步零件的加工精度。2.3 五軸聯(lián)動加工五軸聯(lián)動加工指五個(gè)運(yùn)動軸包括XYZ三個(gè)直線軸和ABC中的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸同時(shí)運(yùn)動對零件進(jìn)展加工的一種形式。在進(jìn)展五軸聯(lián)動加工時(shí)，可對加工過程中的刀具軸線方向進(jìn)展優(yōu)化，改變刀軸的矢量方向，保證在整個(gè)刀具途徑上都可保持最高效的切削形式，具有連續(xù)性，沒有加工的接刀痕跡，外表粗糙度好等優(yōu)點(diǎn)。五軸聯(lián)動加工不僅能控制加工

7、誤差，而且能進(jìn)步零件外表質(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)動機(jī)的整體葉輪時(shí)都需用到五軸聯(lián)動加工保證產(chǎn)品的質(zhì)量和精度。以上三種加工形式如圖1所示：3+2軸加工 4+1軸加工 五軸聯(lián)動加工圖1 五軸加工形式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。詳細(xì)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)展欠切、過切、碰撞檢測以及試切削；最后操作五軸機(jī)床完成零件的加工。3

8、.1 五軸機(jī)床五軸數(shù)控機(jī)床相對于三軸數(shù)控機(jī)床來說，不僅僅是增加兩個(gè)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(jī)床的加工范圍和加工精度。如今，大部分的五軸聯(lián)動加工中心根本都采用轉(zhuǎn)矩電機(jī)來控制主軸頭和回轉(zhuǎn)工作臺的運(yùn)動和擺動。轉(zhuǎn)矩電機(jī)是一種同步電機(jī)，屬于直接驅(qū)動裝置機(jī)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(jī)械傳動零部件。轉(zhuǎn)矩電機(jī)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防止磨耗等特點(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)動主軸頭擺動的加速度可達(dá)3g以上。采用轉(zhuǎn)矩電機(jī)替代傳統(tǒng)的機(jī)械傳動構(gòu)造可

9、以將設(shè)備簡化，減少零部件數(shù)量，進(jìn)步傳動效率，同時(shí)進(jìn)步整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而進(jìn)步零件的加工質(zhì)量和效率。3.1.3 控制技術(shù)。五軸聯(lián)動加工就是要實(shí)現(xiàn)5個(gè)運(yùn)動軸的同時(shí)運(yùn)動，完成零件的加工。由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動軸的存在，導(dǎo)致坐標(biāo)系是運(yùn)動變化的，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)動加工中心數(shù)控系統(tǒng)具備強(qiáng)大的控制和伺服才能以及高效的運(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)控制管理才能，實(shí)現(xiàn)刀具長度補(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)動加工中，常用的數(shù)控系統(tǒng)有：德國Siemens

10、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)控加工工藝的劃分形式有：按粗、精加工分，根據(jù)零件的形狀、尺寸及精度等因素，將粗精加工分開的原那么進(jìn)展工藝劃分；按刀具集中分，按選擇的刀具進(jìn)展工藝的劃分，可以減少換刀次數(shù)，縮短加工時(shí)間，進(jìn)步加工精度及效率；按加工部位分，遵循的原那么有先近后遠(yuǎn)、先簡后繁、先平面后孔。五軸聯(lián)動精加工時(shí)，五軸設(shè)備的剛性、切削才能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0.50.8mm的余量精加工。過大的切削量是不允許的，它將對五軸機(jī)床的主軸造

11、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)動加工時(shí)的切削參數(shù)，并書面告知操作人員本卷須知。同時(shí)在進(jìn)展五軸聯(lián)動加工前應(yīng)進(jìn)展仿真驗(yàn)證，防止碰撞及過切現(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(jìn)展屢次坐標(biāo)系和刀軸的變化來完成零件的加工，同時(shí)還要考慮各運(yùn)動軸的協(xié)調(diào)性，防止干預(yù)、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(jìn)展驗(yàn)證。3.3.2 試切加工。在五軸聯(lián)動加工過程中，為進(jìn)步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

12、調(diào)到較低值，然后漸漸進(jìn)步，直至找到一個(gè)最正確方案；另外，當(dāng)五軸設(shè)備的五個(gè)運(yùn)動坐標(biāo)軸都在運(yùn)動時(shí)，其剛性比三軸設(shè)備要低，假設(shè)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軟件來實(shí)現(xiàn)加工工藝。如今能進(jìn)展五軸編程的軟件有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，操作簡便等特點(diǎn)，在國內(nèi)市場的占有率正在逐年進(jìn)步。如今越來越多的學(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

13、加工策略很多，其中“曲面投影精加工策略的加工范圍廣、生成的刀具途徑質(zhì)量高效，特別適用于復(fù)雜曲面的加工，越來越受到機(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)，要防止刀軸不必要的、過度的擺動，防止因機(jī)床主軸或工作臺過于頻繁的擺動，造成機(jī)床的損壞。在進(jìn)展刀路優(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)化刀具途徑。3.3.5 仿真驗(yàn)證。由于五軸設(shè)備貴重，加工程序量大，需要考慮的干預(yù)、碰撞問題較多，所以實(shí)際加工前一定要先進(jìn)展模擬加工。如今的C

14、AM軟件根本只能進(jìn)展程序的驗(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)展實(shí)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(jìn)展仿真加工，來驗(yàn)證工藝及程序的平安性、可靠性，同時(shí)增強(qiáng)操作者和機(jī)床的平安保障。4 結(jié)語本文介紹了五軸加工的定義、特點(diǎn)、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(jìn)展多軸加工時(shí)應(yīng)對這三者進(jìn)展深化研究，找出最正確方案，選用最正確參數(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、高效方向開展，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(shí)間并獲得更好的加工外表質(zhì)量。為縮短消費(fèi)周期、降低人工本錢、進(jìn)步零件的加工精度及企業(yè)的競爭力，越來越多的制