基于立式加工中心的五轴加工曲面特性分析

齐孟雷

（辽宁机电职业技术学院，辽宁 丹东 118009）

1 立式五轴数控加工中心的型式［1］

五轴加工因为多了两个旋转轴，因而具备了一些三轴加工所没有的优点，如生产率较高和较短的设定时间，而且极适合用于复杂几何曲面的加工，如涡轮叶片、叶轮和其他高附加值的产品。

数控加工中心机构上的运动坐标系通常以右手直角笛卡尔坐标系定义：X，Y，Z三个线性移动轴和分别绕着X，Y，Z轴旋转的A，B，C轴，线性轴依手指所指方向为正方向，旋转轴依手指指向的顺时针为正方向，如图1所示。所以五轴数控加工中心泛指包含3个直线轴及2个旋转轴，可同时进五轴同步运动加工的机器。因为5轴数控加工中心具备5个自由度，若按旋转轴的旋转方向不同来规划刀具的切削移动方向则可以配置出许多型式，见表1。从中归纳出的3种最基本的五轴立式加工中心的布局如图2所示。

图1 右手坐标系定义示意图

因为五轴立式加工中心的旋转轴配置方式不同，故加工特性也不同，应根据加工工件来选择适当的加工中心，以避免加工困难和精度不够。不同构型五轴立式加工中心的加工特性如下：

（1）型式a：工作台倾斜型，即两旋转轴在工作台。①主轴可在X，Y，Z三轴上作移动，平台在A，C轴上可旋转；②此型式为在一般三轴机器的平台上加装倾斜与旋转伺服机构，降低夹具成本，是最经济的方式，也是应用较普遍的机型；③主轴负载较小、刚性高，可承受重切削；④沿C轴动作，在环形和轮廓外形上有较好的复杂曲面加工能力；⑤适用于中小型工件加工，因为大型工件需要较大扭矩的旋转移动平台；⑥实际加工时，只需沿着Z轴就能轻松进退刀，加工倾斜面及孔时，可用三轴加工进行程序设计，并可用刀具补偿功能。

（2）型式b：主轴倾斜型，即两旋转轴在刀具轴。①由主轴头在旋转分度以及倾斜分度的动作来完成切削加工；②因主轴具有5个自由度，不适合重切削；③适合大型工件加工，如汽车钣金模具或航天零件。

（3）型式c：工作台／主轴倾斜型，即两个旋转轴分别在刀具轴及工作台，具有3个平移和1个旋转自由度的主轴及一个旋转平台。

表1 五轴立式加工中心的旋转轴位置型式分类

2 五轴加工特性分析

传统三轴数控加工中心只有3个正交的X，Y，Z轴，刀具只能沿着此三轴做线性平移，而使加工工件几何形状受限，而五轴数控加工中心多了2个旋转轴，在同步运动控制下，允许刀具以适当的倾斜方向对工件加工，铣刀经由刀轴方向改变而提高表面精度及提升加工效率。图3为三轴加工中心在凹凸曲面加工路径中出现的干涉。

图2 五轴立式加工中心的布局

图3 三轴加工中心曲面加工中的干涉现象

图4 为三轴与五轴齿轮加工模式比较。三轴联动数控机床利用端铣刀铣削加工齿轮时，由于机床无法旋转刀具轴向，只能线性移动加工铣削齿轮表面轮廓，其表面加工纹理如图4（a）所示，在齿轮高速传动时，两齿面间的摩擦会造成啮合运动不顺畅且噪声较大，故该加工方式只适用于低转速机械传动齿轮的加工。采用五轴数控加工中心进行齿轮铣削加工时，因刀具轴向可根据加工方式改变，也可规划不同刀具进给方向或可规划较小的刀具路径间距来满足需求，可得到良好的加工结果，所以五轴加工较三轴加工效果好。

3 结论

综上所述，应用五轴加工的特点如下（见图5）：①加工多个斜角倒勾曲面时，利用旋转轴直接旋转工件可避免刀具干涉，并节省校正精度的时间；②采用五轴加工方式及刀轴角度变化，可以避免刀具顶点摩擦，延长刀具寿命；③使用刀侧切削可减少加工道次，获得最佳质量，提升加工效能；④当倾斜角很大时，可降低工件变形量；⑤可减少使用各种成型刀，通常用一般刀具即能完成加工。

图4 三轴与五轴齿轮加工模式比较

图5 五轴加工特点

［1］ 赵岐刚，于世忠.数控铣床零件加工技术［M］.北京：电子工业出版社，2013.