模具多轴数控加工技术研究

郝惠东

（山西机电职业技术学院，长治 046011）

多轴数控加工技术一般情况下要求数控加工达到四轴以上，较为常见的是五轴数控加工。多轴数控加工过程中，数控镗削流程、数控铣削流程、数控钻削流程等被一起控制，实现多个坐标轴的联合动作。待加工件在机床上安装完毕后，可连续进行镗削、铣削和钻削等加工作业，每个工序结束后不用对加工件进行重新安装和位置确定，这样大大减少了工件安装过程中的各种误差，同时也大大缩短了工件加工的总时间，提高了工作效率和加工精准度。

1 多轴数控加工技术

在数控加工过程中，刀具的位置和工具的位置较重要，多轴数控加工中的轴数量为5～6个，分别是对加工台面进行角度控制的A轴和B轴、对主轴回转角度进行控制的C轴和控制刀具沿着直线方向走位的X轴、Y轴以及Z轴。不同数控加工设备的主要区别体现在回转轴的形式不同，据此主要分为工作台式的回转轴和立式主轴头回转两种类型。其中，工作台的回转轴类型中要求工作台能够围绕X轴旋转，这个轴一般称为A轴，A轴工作过程中的角度范围是+30°～-100°。工作台的重要位置是回转台装置，其旋转过程中的中心轴是Z轴，此轴一般称为C轴，C轴可以做360°转动。A轴和C轴在工作过程中配合使用，对应的最小分度单位是0.001°，所以，在工件加工过程中可以实现对任意角度倾斜孔和倾斜面的加工。如果将A轴、C轴与X轴、Y轴、Z轴配合使用，就可实现对结构复杂的曲面工具加工制造。工作台式的回转轴对应的主轴结构不复杂、刚性不低、加工成本不高。存在的缺点是工作台承重不大，工作过程中要求A轴回转的角度要控制在90°以内，切削过程中工作台承受力矩较大。立式主轴头回转机床的最端部设计有回转装置，可以绕Z轴做360°运动，一般称为C轴，在回转装置上还安装有可绕X轴在±90°范围内旋转的A轴。这种多轴数控机床设计方式使主轴在工件加工过程中机动性能更好，同时工作台的设计面积也可相应变大。以往在对复杂零件进行曲面加工时，首先设计刀具的中心线与加工面保持垂直状态，球面处的刀具线速度基本接近零，所以，对应的零件表面粗糙度很难到达标准要求。在立式主轴头回转机床的加工过程中，主轴和工具之间有一定的角度，球面刀具在切削过程中不会对顶点切削，线速度不为零，可以充分保证零件表面的加工精度。

2 多轴数控加工技术特点分析

多轴数控加工的技术特点主要体现在以下几个方面。

2.1 工件一次安装，加工精度高

采用多轴数据加工技术使多道切削流程实现了集成化作业，提高了工作效率，在工件加工过程中，只需初次切削时对工件进行安装，后续加工过程工件位置不动，充分保证了工件加工过程中的较高精度。

2.2 机床占地面积和机床夹具大大减少

多轴数控机床将多道切削程序集中在一起，实现一台机床进行工件加工，替代了原有的车床、铣床、镗床、钻床等多个机床，因此，占地面积大大减少，同时在工件夹装方面，只需采用一套夹具即可实现工件加工，所用夹具数量也大幅减少。

2.3 简化了工艺生产流程，减少了生产时间

多轴数控机床加工工具期间只需将工作任务交给一个机床操作人员来完成，工件生产过程中的衔接程序大大减少，这样一来，工件的生产管理和进度计划安排就得到了极大简化，生产过程更加透明。特别是如果待加工的工件结构很复杂，需要多道工序联合作业时，多轴数控技术的优势就更加明显。同时，由于生产流程的简化和缩短，大大简化了工艺加工的生产管理环节时间，实现了生产效率的提高。

2.4 减少了新产品的研制时间

在汽车发动机、航空发动机、机车车头等方面，有大量的新产品外形结构复杂，同时对模具的精准度要求也不低，此时，多轴数控加工技术的优势就大大体现出来了。多轴数控机车具有高集成性能、高精度性能、高完整性能和较好的柔韧性能，可以快速适应和解决新产品研制过程中的对于复杂机构零件的精准度高和周期要求紧的要求，极大缩短了新产品的研制时间，同时多轴数控加工工艺流程紧凑，大大降低了生产产品的失败率。

3 数控加工切削参数优化

多轴数控加工技术在切削过程中首先要找到能产生切削的点位，然后对该点位切削后的最低位置进行设计，因此，需要对数控加工过程中的切削参数进行优化，涉及的流程有参数设计、优化目标函数、约束目标函数、优化问题求解、优化反复等几个方面。在数控加工过程中，工件的切削环境随时发生着变动，所以数控机床要随时根据刀具点位的不同对加工参数进行选择优化。实际加工过程中，还无法实现随时对加工参数进行调整，常用的解决方法是用工件某一点位的切削情况来替代相邻点位的切削情况，用离线切削条件替代原本连续的切削条件，用离散问题替代连续问题。

在实际加工过程中存在多个路段，每个路段的刀具吃入量用字母单独表示，对进给量和切削线速度进行优化，设定进给量，切削线速度，路段长度，将多少个个路段连接在一起就是整个工件的加工过程。对目标函数进行优化，多轴数控管加工过程中目标函数优化的方法有很多种，这里选用的目标目标函数主要从生产率方面进行，即单个零件的最少生产周期。目标函数的约束过程主要涉及多轴数控机床的功率、进给量、进给速度等参数。在工件加工过程中上述参数均受到一定的约束。对应材料去除量大小与单位时间内的机床进给量大小、背吃刀量大小、切削件的宽度以及切削速度等有关。刀具的使用时间与刀具材料、零件材料相关，是一个变化值。另外，对于机床的效率系数和机床的最大输出功率等参数也需根据相应公式进行优选。

4 小结

本文对多轴数控加工技术进行了分析阐述，对多轴数控实现复杂结构零件加工原理进行了分析。总结得到了数控加工技术的工件一次安装加工精度高、简化了工艺生产流程、减少了新产品的研制时间等特点。最后对数控加工过程中的参数优化进行了分析研究，对于相关技术人员开展研究具有较好的参考意义。