淺析多軸數控加工技術

劉翠蓮

摘要：隨著科學技術的突飛猛進，模具制造技術迅速發展，多軸數控加工、高速加工、電火花加工、快速模具制造等先進技術在模具制造中得到了廣泛的應用。本文介紹了多軸數

控加工技術的特點及常用類型，并指出了多軸數控加工編程技術存在的問題、以及實現多

軸數控加工技術的難點。

關鍵詞：模具制造；多軸數控加工；多軸數控加工編程

TG659

一、建立多軸的概念

多軸數控加工一般指三軸半以上的數控加工，它一直是數控加工的難點。因為三軸以下的加工在我們頭腦中是一個比較直觀的東西，我們很容易想象三軸走刀的具體情況，同樣在CAM軟件中三軸以下的加工程序編制也容易的多。多軸加工則不然，多軸數控加工能同時控制4個以上坐標軸的聯動，將數控銑、數控鏜、數控鉆等功能組合在一起，工件在一次裝夾后，可以對加工面進行銑、鎖、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，能縮短生產周期，提高加工精度。

二、多軸數控加工的特點

采用多軸數控加工，具有如下幾個特點：

（1）減少基準轉換，提高加工精度。

多軸數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）減少工裝夾具數量和占地面積。

盡管多軸數控加工中心的單臺設備價格較高，但由于過程鏈的縮短和設備數量的減少，工裝夾具數量、車問占地面積和設備維護費用也隨之減少。

（3）縮短生產過程鏈，簡化生產管理。

多軸數控機床的完整加工大大縮短了生產過程鏈，而且由于只把加工任務交給一個工作崗位，不僅使生產管理和計劃調度簡化，而且透明度明顯提高。

（4）縮短新產品研發周期。

對于航空航天、汽車等領域的企業，有的新產品零件及成型模具形狀很復雜，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控加工中心可以很好地解決新產品研發過程中復雜零件加工的精度和周期問題，大大縮短研發周期和提高新產品的成功率。

三、多軸數控加工的類型

多軸數控加工中心具有高效率、高精度的特點，工件在一次裝夾后能完成5個面的加工。如果配置5軸聯動的高檔數控系統，還可以對復雜的空間曲面進行高精度加工，非常適于加工汽車零部件、飛機結構件等工件的成型模具。

根據回轉軸形式，多軸數控加工中心可分為兩種設置方式：

⑴工作臺回轉軸。

作臺可以環繞x軸回轉，定義為A軸，A軸的一般工作范圍是+30°至-120°。工作臺的中問還設有一個回轉臺，環繞Z軸回轉，定義為C軸，C軸都是360°回轉。通過A軸與C軸的組合，固定在工作臺上的工件除了底面之外，其余的5個面都可以由立式主軸刀具進行加工。A軸和C軸的最小分度值一般為0.001°，這樣又可以把工件細分成任意角度，加工出傾斜面、傾斜孔等。A軸和C軸如果與X ，Y ， Z3軸實現聯動，就可加工出復雜的空問曲面。這種設置方式的多軸數控加工機床的優點是：主軸結構比較簡單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺不能設計太大，承重也較小，特別是當A軸回轉角度﹥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。

主軸前端是一個回轉頭，能自行環繞Z軸360°，成為C軸，回轉頭上還帶有可環繞X軸旋轉的A軸，一般可達到90°以上。這種設置方式的多軸數控加工機床的優點是：主軸加工非常靈活，工作臺也可以設計得非常大。在使用球面銑刀加工曲面時，當刀具中心線垂直于加工面時，由于球面銑刀的頂點線速度為零，頂點切出的工件表面質量會很差，而采用主軸回轉的設計，令主軸相對工件轉過一個角度，使球面銑刀避開頂點切削，保證有一定的線速度，可提高表面加工質量，這是工作臺回轉式加工中心難以做到的。

四、多軸數控加工編程技術

多軸數控加工與三軸數控加工的本質區別在于：在3軸數控加工情況下，刀具軸線在工件坐標系中是固定的，總是平行于Z軸；而在5軸數控加工情況下，刀具軸線一般是變化的。因此3軸數控加工的研究關鍵在于加工特征的識別和刀具路徑的規劃，多軸數控加工的研究關鍵在于刀具姿態的優化。

多軸數控加工編程的一般步驟是：

⑴根據模型定義切削策略：可變軸輪廓銑是多軸加工的常用方式，首先從驅動幾何體上生成驅動點，將驅動點沿著設定的矢量映射到零件模型上，生成刀位軌跡。判斷刀位軌跡的要素為刀位軌跡的長短和方向的變化。

⑵刀軸控制方式：與3軸固定輪廓銑不同之處在于對刀具軸線矢量的控制，驅動方法通常有點、線、面等3種方式，其選擇的原則是盡量使刀具軸線變化平穩，以保持切削載荷的穩定。

⑶切削參數的選擇：切削參數的選擇要考慮到整個加工系統的每個因素，其中，刀具和工件的影響最為明顯。在加工對象確定的情況下，根據工件的形狀、大小、切削性能等特點，選擇合適的刀具材料、直徑等各項參數，進而確定切削速度、主軸轉速、切削深度等參數。

五、實現多軸數控加工技術的難點

多軸數控加工由于干涉和刀具在加工空問的位置控制，其數控編程、數控系統和機床結構遠比3軸機床復雜得多。目前，多軸數控加工技術存在以下幾個問題：

（1）多軸數控編程抽象、操作困難。

這是每一個傳統數控編程人員都深感頭疼的問題。3軸機床只有直線坐標軸，而5軸數控機床結構形式多樣；同一段NC代碼可以在不同的3軸數控機床上獲得同樣的加工效果，但某一種5軸機床的NC代碼卻不能適用于所有類型的5軸機床。數控編程除了直線運動之外，還要協調旋轉運動的相關計算，如旋轉角度行程檢驗、非線性誤差校核、刀具旋轉運動計算等，處理的信息量很大，數控編程極其抽象。

（2）刀具半徑補償困難。

在5軸聯動NC程序中，刀具長度補償功能仍然有效，而刀具半徑補償卻失效了。以圓柱銑刀進行接觸成形銑削時，需要對不同直徑的刀具編制不同的程序。目前流行的CNC系統尚無法完成刀具半徑補償，因為ISO文件中沒有提供足夠的數據對刀具位置進行重新計算。用戶在進行數控加工時需要頻繁換刀或調整刀具的確切尺寸，按照正常的處理程序，刀具軌跡應送回CAM系統重新進行計算，從而導致整個加工過程效率不高。

（3）購置機床需要大量投資。

多軸數控加工機床和3軸數控加工機床之問的價格懸殊很大。多軸數控加工除了機床本身的投資之外，還必須對CAD/CAM系統軟件和后置處理器進行升級，使之適應多軸數控加工的要求，以及對校驗程序進行升級，使之能夠對整個機床進行仿真處理。

參考文獻：

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[2]丁海萍，刀具補償在數控加工中的應用，裝備制造技術，2008.5

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