五軸加工技術探討

杜兆君

摘?要：五軸聯動數控機床是一種科技含量高、精密度高，專門用于加工復雜曲面的機床，在航空、高精醫療設備等行業有廣泛應用。本文在此對五軸加工技術進行探討。

關鍵詞：五軸聯動數控機床?加工方式?加工工藝?注意事項

隨著社會的發展，制造業者對生產質量和效率提出更高的要求，由此催生了多軸加工技術。五軸聯動數控機床是一種科技含量高、精密度高，專門用于加工復雜曲面的機床。傳統的三軸加工機床只有3個正交的X、Y、Z軸，刀具只能沿著此三軸做線性平移，加工工件的幾何形狀有所限制，因此必須增加軸數來獲得加工的自由度，最典型的就是增加兩個旋轉軸，成為五軸加工機床。如：帶有相同凸曲線的復雜曲面加工通常采用三軸加工，但對于深凹槽或頻繁改變曲率的情況來說，則需要使用五軸加工。

一、五軸加工方式

五軸聯動數控機床按照聯動軸數的不同，可以分為3+2、4+1、5軸聯動加工方式。

1.3+2軸加工方式

3+2就是在五軸加工的時候用旋轉軸確定刀具的向量姿態，然后用3個直線軸做三軸聯動加工的方式。這種方式可使通常需要多次單獨三軸加工才能完成加工的零件，僅通過一次裝夾即可完成全部加工。使用這種方法可直接加工零件的底切特征，較刀具最大長度深的零件的側壁如箱體零件，以及模具加工。使用3+2方式進行加工首先要建立局部坐標系，機床通過旋轉軸來進行定位加工。其他如在多個面上鉆孔也可采用3+2方式。這種方式編程簡單，機床損耗小（旋轉軸的壽命相對直線軸低，所以盡量少轉），缺點是即使精度很高的機床，3+2的方式也能看到兩個向量之間的加工界限，如果精度稍差的機床，3+2就可能做出“臺階”來，而五軸聯動不會。

2.4+1軸加工方式

4+1軸加工是指在五軸數控機床上，一根旋轉運動軸固定位在一個固定角度，其余三根直線運動軸和一根旋轉運動軸同時聯合運動的一種加工方式。這種加工方式一般用于軸類零件及接近回轉體零件的加工，在保證刀具不干涉的情況下使用4+1軸加工可以提高生產效率，縮短生產時間。

3.5軸聯動加工方式

5軸聯動也叫連續五軸加工，是指五根運動軸同時聯合運動，就是控制進給軸X、Y、Z以及旋轉軸比如A、B，同時對零件進行加工的一種方式。5軸聯動在沿著整個路徑運動過程中可對刀具方向進行優化，同時進行刀具直線運動。這樣，在整個路徑上都可保持最佳切削狀態，具有連續性，表面光潔度高，沒有加工的連接痕跡。用聯動把誤差“埋”到工件里，不意味著精度提高，但是表面狀態很好，比如醫療器械、發動機整體葉輪之類，當然有些也是加工工藝的要求，要求均勻地去除材料，保證工件的加工應力變化和熱變化均勻。

二、五軸加工工藝

五軸數控機床的加工工藝的劃分可以按以下三種方式：粗、精加工分序法，根據零件的形狀、尺寸精度等因素按粗精加工分開的原則；刀具集中分序法，按所用刀具來劃分工序，可以減少換刀次數，縮短時間，減少誤差；加工部位分序法，按照先簡后繁、先近后遠、先平面后孔的原則。

在使用五軸精加工時，需了解機床的切削能力和被切削材料的硬度。參照行業加工工藝方案，一般預留0.5～0.8mm使用五軸精加工。但是過大的切削量會對主軸造成不可逆轉的損傷，編程時要給予重視，不能貪圖編程方便快捷；在程序運行的過程中，需注意的事項盡可能書面告知機床操作人員。在粗開或半精加工盡量不要使用五軸聯動加工銑削。

三、五軸加工注意事項

1.五軸加工編程復雜、難度大

五軸形成的合成運動的空間軌跡非常復雜和抽象，為了加工出所需的空間自由曲面，往往需要多次坐標變換或使用復雜的刀軸指向控制方式，同時還要考慮各軸運動的協調性，避免干涉、碰撞，因此對數控程序要進行校對審核。

2.多軸加工的效率以及剛性有待進一步提高和優化

機床在進行五軸聯動加工時，實際切削進給率往往要遠低于NC程序中設定的值。另外，同時運動的五根坐標軸在加工過程中，其剛性比三軸加工低，這直接影響到機床的加工精度和工件的加工質量。

3.在處理NC程序時，注意避免刀軸的一些不必要的、過度的擺動

這樣可防止由此導致的機床主軸或工作臺過于頻繁的擺動，造成機床的損壞。

4.操作之前采用軟件模擬

由于五軸聯動高速切削程序量大，許多程序采用手工的方法或者在CAM軟件里進行模擬，是難以有效地檢查數控程序和機床的實際輸出是否存在問題的。筆者學校現在采用多軸數控仿真軟件進行模擬來驗證程序的安全性，增強操作者和機床的安全保障。

（作者單位：山東省高密市技工學校）