多軸加工（多軸加工）

定義

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，這就對計算能力提出了挑戰(zhàn)。目前這項工作最經(jīng)濟(jì)的解決方案是通過計算機(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。

其次，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。因為隨著機(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。

多軸加工技術(shù)

數(shù)控加工技術(shù)作為現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的基礎(chǔ)，使得機(jī)械制造過程發(fā)生了顯著的變化。現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，無論在加工工藝，加工過程控制，還是加工設(shè)備與工藝裝備等諸多方面均有顯著不同。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。通常所說的多軸數(shù)控加工是指4軸以上的數(shù)控加工，其中具有代表性的是5軸數(shù)控加工。

多軸數(shù)控加工能同時控制4個以上坐標(biāo)軸的聯(lián)動，將數(shù)控銑、數(shù)控鏜、數(shù)控鉆等功能組合在一起，工件在一次裝夾后，可以對加工面進(jìn)行銑、鏜、鉆等多工序加工，有效地避免了由于多次安裝造成的定位誤差，能縮短生產(chǎn)周期，提高加工精度。隨著模具制造技術(shù)的迅速發(fā)展，對加工中心的加工能力和加工效率提出了更高的要求，因此多軸數(shù)控加工技術(shù)得到了空前的發(fā)展。

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，多軸數(shù)控加工中心正在得到越來越為廣泛的應(yīng)用。它們的最大優(yōu)點(diǎn)就是使原本復(fù)雜零件的加工變的容易了許多，并且縮短了加工周期，提高了表面的加工質(zhì)量。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)。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。

多軸加工的類型

加工中心一般分為立式加工中心和臥式加工中心。三軸立式加工中心最有效的加工面僅為工件的頂面，臥式加工中心借助回轉(zhuǎn)工作臺，也只能完成工件的四面加工。多軸數(shù)控加工中心具有高效率、高精度的特點(diǎn)，工件在一次裝夾后能完成5個面的加工。如果配置5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，非常適于加工汽車零部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等工件的成型模具。根據(jù)回轉(zhuǎn)軸形式，多軸數(shù)控加工中心可分為兩種設(shè)置方式

（1）工作臺回轉(zhuǎn)軸。

這種設(shè)置方式的多軸數(shù)控加工機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)是：主軸結(jié)構(gòu)比較簡單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺不能設(shè)計太大，承重也較小，特別是當(dāng)A 軸回轉(zhuǎn)角度≥90°時，工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩。

（2）立式主軸頭回轉(zhuǎn)。

這種設(shè)置方式的多軸數(shù)控加工機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)是：主軸加工非常靈活，工作臺也可以設(shè)計得非常大。在使用球面銑刀加工曲面時，當(dāng)?shù)毒咧行木€垂直于加工面時，由于球面銑刀的頂點(diǎn)線速度為零，頂點(diǎn)切出的工件表面質(zhì)量會很差，而采用主軸回轉(zhuǎn)的設(shè)計，令主軸相對工件轉(zhuǎn)過一個角度，使球面銑刀避開頂點(diǎn)切削，保證有一定的線速度，可提高表面加工質(zhì)量，這是工作臺回轉(zhuǎn)式加工中心難以做到的。

多軸加工的特點(diǎn)

采用多軸數(shù)控加工，具有如下幾個特點(diǎn)：

（1）減少基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，提高加工精度。

多軸數(shù)控加工的工序集成化不僅提高了工藝的有效性，而且由于零件在整個加工過程中只需一次裝夾，加工精度更容易得到保證。

（2）減少工裝夾具數(shù)量和占地面積。

盡管多軸數(shù)控加工中心的單臺設(shè)備價格較高，但由于過程鏈的縮短和設(shè)備數(shù)量的減少，工裝夾具數(shù)量、車間占地面積和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用也隨之減少。

（3）縮短生產(chǎn)過程鏈，簡化生產(chǎn)管理。

多軸數(shù)控機(jī)床的完整加工大大縮短了生產(chǎn)過程鏈，而且由于只把加工任務(wù)交給一個工作崗位，不僅使生產(chǎn)管理和計劃調(diào)度簡化，而且透明度明顯提高。工件越復(fù)雜，它相對傳統(tǒng)工序分散的生產(chǎn)方法的優(yōu)勢就越明顯。同時由于生產(chǎn)過程鏈的縮短，在制品數(shù)量必然減少，可以簡化生產(chǎn)管理，從而降低了生產(chǎn)運(yùn)作和管理的成本。

（4）縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期。

對于航空航天、汽車等領(lǐng)域的企業(yè)，有的新產(chǎn)品零件及成型模具形狀很復(fù)雜，精度要求也很高，因此具備高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力的多軸數(shù)控加工中心可以很好地解決新產(chǎn)品研發(fā)過程中復(fù)雜零件加工的精度和周期問題，大大縮短研發(fā)周期和提高新產(chǎn)品的成功率。

五軸車銑技術(shù)

五軸車銑技術(shù)是多軸加工技術(shù)的典型，五軸車銑中心是五軸車銑技術(shù)的載體，是指一種以車削功能為主，并集成了銑削和鏜削等功能，至少具有3個直線進(jìn)給軸和2個圓周進(jìn)給軸，且配有自動換刀系統(tǒng)的機(jī)床的統(tǒng)稱。這種車銑復(fù)合加工中心是在三軸車削中心基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，相當(dāng)于1臺車削中心和1臺加工中心的復(fù)合，是2O世紀(jì)90年代發(fā)展起來的復(fù)合加工技術(shù)，是一種在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計技術(shù)和精密制造技術(shù)基礎(chǔ)上，集成了現(xiàn)代先進(jìn)控制技術(shù)、精密測量技術(shù)和CAD/CAM 應(yīng)用技術(shù)的先進(jìn)機(jī)械加工技術(shù)。五軸車銑中心的先進(jìn)性表現(xiàn)在其設(shè)計理念上。在通常的機(jī)械加工概念中，1個零件的加工，少則一兩工序，多則上百工序，要經(jīng)過多臺設(shè)備的加工來完成，要準(zhǔn)備刀具、工裝夾具。對復(fù)雜的零件來說，有的一套工裝的準(zhǔn)備就需要三、五個月的時間，即使不考慮經(jīng)濟(jì)成本，三、五個月的時間很可能會錯過許多商品機(jī)遇和戰(zhàn)略機(jī)遇。在汽車、家電等批量生產(chǎn)行業(yè)，為了提高效率和自動化水平，廣泛采用自動化生產(chǎn)線，龐大的物流系統(tǒng)構(gòu)成了自動線很主要的一部分，同時是一個占錢、占地的部分，也是故障多發(fā)的部分，對復(fù)雜形面的加工，物流更是一個大問題。零件的多次裝夾和基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，有時帶來不必要的工序，同時也使零件加工精度喪失。五軸車銑復(fù)合加工中心從設(shè)計概念上解決了這個問題，它是一次裝夾，完成加工范圍內(nèi)的全部或絕大部分工序，實(shí)現(xiàn)了從復(fù)合加工到完整加工的飛躍。

五軸車銑復(fù)合加工中心從產(chǎn)生至今，已有近20年的歷史，技術(shù)已經(jīng)成熟并被國內(nèi)外用戶接收和認(rèn)可。從趨勢上看，主要向以下幾個方向發(fā)展：

(1)更高工藝范圍。

通過增加特殊功能模塊，實(shí)現(xiàn)更多工序集成。例如將齒輪加工、內(nèi)外磨削加工、深孔加工、型腔加工、激光淬火、在線測量等功能集成到車銑中心上，真正做到所有復(fù)雜零件的完整加工。

(2)更高效率。

通過配置雙動力頭、雙主軸、雙刀架等功能，實(shí)現(xiàn)多刀同時加工，提高加工效率。

(3)大型化。

由于大型零件一般多是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求加工的部位和工序較多、安裝定位也較費(fèi)時費(fèi)事的零件，而車銑復(fù)合加工的主要優(yōu)點(diǎn)之一是減少零件在多工序和多工藝加工過程中的多次重新安裝調(diào)整和夾緊時間，所以采用車銑中心進(jìn)行復(fù)合加工比較有利。所以目前五軸車銑復(fù)合加工中心正向大型化發(fā)展。例如沈陽機(jī)床的HTM125系列五軸車銑中心，回轉(zhuǎn)直徑達(dá)到1250mm，加工長度可以達(dá)到10000mm，非常適合大型船用柴油機(jī)曲軸的車銑加工。

(4)結(jié)構(gòu)模塊化和功能可快速重組

五軸車銑中心的功能可快速重組是其能快速響應(yīng)市場需求，并能搶占市場的重要條件，而結(jié)構(gòu)模塊化是五軸車銑中心功能可快速重組的基礎(chǔ)。一些技術(shù)先進(jìn)的廠家(如德國DMG、奧地利的WFL、日本的MAZAK公司等)的許多產(chǎn)品都已實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計，并正在向如何實(shí)現(xiàn)功能快速重組的方面努力。

五軸車銑技術(shù)的先進(jìn)理念是提高產(chǎn)品質(zhì)量和縮短產(chǎn)品制造周期。因此，這種技術(shù)在軍工、航空、航天、船舶以及一些民用工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，尤其在航空航天領(lǐng)域一些形狀復(fù)雜的異形零件的加工中更具優(yōu)勢，因此國外早已在航空航天領(lǐng)域大批采用此類設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加工設(shè)備，而國內(nèi)在這方面則比較落后，因此還需借鑒國外的先進(jìn)經(jīng)驗，爭取在五軸車銑技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域改變落后的局面。

加工技術(shù)難點(diǎn)

人們早已認(rèn)識到多軸數(shù)控加工技術(shù)的優(yōu)越性和重要性，但到目前為止，多軸數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用仍然局限于少數(shù)資金雄厚的部門，并且仍然存在尚未解決的難題。多軸數(shù)控加工由于干涉和刀具在加工空間的位置控制，其數(shù)控編程、數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比3軸機(jī)床復(fù)雜得多。目前，多軸數(shù)控加工技術(shù)存在以下幾個問題：

（1）多軸數(shù)控編程抽象、操作困難。

這是每一個傳統(tǒng)數(shù)控編程人員都深感頭疼的問題。3軸機(jī)床只有直線坐標(biāo)軸，而5軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)形式多樣；同一段NC代碼可以在不同的3軸數(shù)控機(jī)床上獲得同樣的加工效果，但某一種5軸機(jī)床的NC代碼卻不能適用于所有類型的5軸機(jī)床。數(shù)控編程除了直線運(yùn)動之外，還要協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的相關(guān)計算，如旋轉(zhuǎn)角度行程檢驗、非線性誤差校核、刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動計算等，處理的信息量很大，數(shù)控編程極其抽象。多軸數(shù)控加工的操作和編程技能密切相關(guān)，如果用戶為機(jī)床增添了特殊功能，則編程和操作會更復(fù)雜。只有反復(fù)實(shí)踐，編程及操作人員才能掌握必備的知識和技能。經(jīng)驗豐富的編程與操作人員的缺乏，是多軸數(shù)控加工技術(shù)普及的大阻力。

（2）刀具半徑補(bǔ)償困難。

在5軸聯(lián)動NC程序中，刀具長度補(bǔ)償功能仍然有效，而刀具半徑補(bǔ)償卻失效了。以圓柱銑刀進(jìn)行接觸成形銑削時，需要對不同直徑的刀具編制不同的程序。目前流行的CNC系統(tǒng)尚無法完成刀具半徑補(bǔ)償，因為ISO文件中沒有提供足夠的數(shù)據(jù)對刀具位置進(jìn)行重新計算。用戶在進(jìn)行數(shù)控加工時需要頻繁換刀或調(diào)整刀具的確切尺寸，按照正常的處理程序，刀具軌跡應(yīng)送回CAM系統(tǒng)重新進(jìn)行計算，從而導(dǎo)致整個加工過程效率不高。對這個問題的最終解決方案，有賴于新一代CNC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠識別通用格式的工件模型文件（如STEP等）或CAD系統(tǒng)文件。

（3）購置機(jī)床需要大量投資。

多軸數(shù)控加工機(jī)床和3軸數(shù)控加工機(jī)床之間的價格懸殊很大。多軸數(shù)控加工除了機(jī)床本身的投資之外，還必須對CAD/CAM系統(tǒng)軟件和后置處理器進(jìn)行升級，使之適應(yīng)多軸數(shù)控加工的要求，以及對校驗程序進(jìn)行升級，使之能夠?qū)φ麄€機(jī)床進(jìn)行仿真處理。

展望

多軸數(shù)控加工技術(shù)正朝著高速、高精、復(fù)合、柔性和多功能方向發(fā)展，努力達(dá)到高質(zhì)量、高效率的目標(biāo)。我國多軸數(shù)控加工技術(shù)研究起步較晚，與發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平還有很大的差距。目前，多軸數(shù)控加工中心的關(guān)鍵部件如5軸頭、數(shù)控系統(tǒng)、電動機(jī)，國內(nèi)企業(yè)多采用進(jìn)口，價格高，成本居高不下。為此，只有自力更生實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)突破關(guān)鍵技術(shù)，堅持走技術(shù)發(fā)展的道路，才能提高企業(yè)的利潤空間。