五轴加工技术探讨

杜兆君

摘 要：五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高，专门用于加工复杂曲面的机床，在航空、高精医疗设备等行业有广泛应用。本文在此对五轴加工技术进行探讨。

关键词：五轴联动数控机床 加工方式 加工工艺 注意事项

随着社会的发展，制造业者对生产质量和效率提出更高的要求，由此催生了多轴加工技术。五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高，专门用于加工复杂曲面的机床。传统的三轴加工机床只有3个正交的X、Y、Z轴，刀具只能沿着此三轴做线性平移，加工工件的几何形状有所限制，因此必须增加轴数来获得加工的自由度，最典型的就是增加两个旋转轴，成为五轴加工机床。如：带有相同凸曲线的复杂曲面加工通常采用三轴加工，但对于深凹槽或频繁改变曲率的情况来说，则需要使用五轴加工。

一、五轴加工方式

五轴联动数控机床按照联动轴数的不同，可以分为3+2、4+1、5轴联动加工方式。

1.3+2轴加工方式

3+2就是在五轴加工的时候用旋转轴确定刀具的向量姿态，然后用3个直线轴做三轴联动加工的方式。这种方式可使通常需要多次单独三轴加工才能完成加工的零件，仅通过一次装夹即可完成全部加工。使用这种方法可直接加工零件的底切特征，较刀具最大长度深的零件的侧壁如箱体零件，以及模具加工。使用3+2方式进行加工首先要建立局部坐标系，机床通过旋转轴来进行定位加工。其他如在多个面上钻孔也可采用3+2方式。这种方式编程简单，机床损耗小（旋转轴的寿命相对直线轴低，所以尽量少转），缺点是即使精度很高的机床，3+2的方式也能看到两个向量之间的加工界限，如果精度稍差的机床，3+2就可能做出“台阶”来，而五轴联动不会。

2.4+1轴加工方式

4+1轴加工是指在五轴数控机床上，一根旋转运动轴固定位在一个固定角度，其余三根直线运动轴和一根旋转运动轴同时联合运动的一种加工方式。这种加工方式一般用于轴类零件及接近回转体零件的加工，在保证刀具不干涉的情况下使用4+1轴加工可以提高生产效率，缩短生产时间。

3.5轴联动加工方式

5轴联动也叫连续五轴加工，是指五根运动轴同时联合运动，就是控制进给轴X、Y、Z以及旋转轴比如A、B，同时对零件进行加工的一种方式。5轴联动在沿着整个路径运动过程中可对刀具方向进行优化，同时进行刀具直线运动。这样，在整个路径上都可保持最佳切削状态，具有连续性，表面光洁度高，没有加工的连接痕迹。用联动把误差“埋”到工件里，不意味着精度提高，但是表面状态很好，比如医疗器械、发动机整体叶轮之类，当然有些也是加工工艺的要求，要求均匀地去除材料，保证工件的加工应力变化和热变化均匀。

二、五轴加工工艺

五轴数控机床的加工工艺的划分可以按以下三种方式：粗、精加工分序法，根据零件的形状、尺寸精度等因素按粗精加工分开的原则；刀具集中分序法，按所用刀具来划分工序，可以减少换刀次数，缩短时间，减少误差；加工部位分序法，按照先简后繁、先近后远、先平面后孔的原则。

在使用五轴精加工时，需了解机床的切削能力和被切削材料的硬度。参照行业加工工艺方案，一般预留0.5～0.8mm使用五轴精加工。但是过大的切削量会对主轴造成不可逆转的损伤，编程时要给予重视，不能贪图编程方便快捷；在程序运行的过程中，需注意的事项尽可能书面告知机床操作人员。在粗开或半精加工尽量不要使用五轴联动加工铣削。

三、五轴加工注意事项

1.五轴加工编程复杂、难度大

五轴形成的合成运动的空间轨迹非常复杂和抽象，为了加工出所需的空间自由曲面，往往需要多次坐标变换或使用复杂的刀轴指向控制方式，同时还要考虑各轴运动的协调性，避免干涉、碰撞，因此对数控程序要进行校对审核。

2.多轴加工的效率以及刚性有待进一步提高和优化

机床在进行五轴联动加工时，实际切削进给率往往要远低于NC程序中设定的值。另外，同时运动的五根坐标轴在加工过程中，其刚性比三轴加工低，这直接影响到机床的加工精度和工件的加工质量。

3.在处理NC程序时，注意避免刀轴的一些不必要的、过度的摆动

这样可防止由此导致的机床主轴或工作台过于频繁的摆动，造成机床的损坏。

4.操作之前采用软件模拟

由于五轴联动高速切削程序量大，许多程序采用手工的方法或者在CAM软件里进行模拟，是难以有效地检查数控程序和机床的实际输出是否存在问题的。笔者学校现在采用多轴数控仿真软件进行模拟来验证程序的安全性，增强操作者和机床的安全保障。

（作者单位：山东省高密市技工学校）