多轴加工技术应用研究及实践推广

康逢华

珠海格力电器股份有限公司 广东 珠海 519070

1 多轴加工技术简介

多轴加工准确地说应该是多坐标联动加工。我们熟悉的数控机床有XYZ三个直线坐标轴，多轴指在一台机床上至少具备第4轴。通常所说的多轴数控加工是指4轴以上的数控加工，其中具有代表性的是5轴数控加工。多轴数控加工能同时控制4个以上坐标轴的联动，将数控铣、镗、车、钻等功能组合在一起，工件在一次装夹后，可以对加工面进行铣、镗、车、钻等多工序加工，有效地避免了由于多次安装造成的定位误差，能缩短生产周期，提高加工精度。随着模具制造技术的迅速发展，对加工中心的加工能力和加工效率提出了更高的要求，因此多轴数控加工技术得到了空前的发展。

五轴加工技术指机床使用5个坐标轴(X、Y、Z三个坐标轴和任意2个旋转轴)对零件加工进行加工，其中，绕X、Y、Z的旋转轴分别为A、B、C轴，相对传统的三轴加工技术，增加了A、B、C的任意2个自由度。五轴联动加工和五轴定位加工是两个不同的概念。五轴联动加工是指机床在计算机数控(CNC)系统的控制下，5个坐标轴同时协调运动，要求加工刀具在五个自由度上能进行任意定位和连接，多用于加工涡轮机零部件、叶轮等复杂曲面五轴定位加工是一种“3+2”的加工方式，根据加工零件的局部形状对2个旋转轴进行调整，已达到最佳的加工角度，然后对局部进行加工，是模具行业零件加工最常用的加工方式。

2 多轴加工的类型

加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心。三轴立式加工中心最有效的加工面仅为工件的顶面，卧式加工中心借助回转工作台，也只能完成工件的四面加工。多轴数控加工中心具有高效率、高精度的特点，工件在一次装夹后能完成5个面的加工。如果配置5轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，非常适于加工汽车零部件、飞机结构件等工件的成型模具。根据回转轴形式，多轴数控加工中心可分为两种设置方式

2.1 工作台回转轴 这种设置方式的多轴数控加工机床的优点是:主轴结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转角度≥90°时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。

2.2 立式主轴头回转 这种设置方式的多轴数控加工机床的优点是:主轴加工非常灵活，工作台也可以设计得非常大。在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，而采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量，这是工作台回转式加工中心难以做到的。

3 多轴数控加工技术的特点

采用多轴数控加工，具有如下几个特点:

3.1 减少基准转换，提高加工精度 多轴数控加工的工序集成化不仅提高了工艺的有效性，而且由于零件在整个加工过程中只需一次装夹，加工精度更容易得到保证。

3.2 提高加工质量 由于五轴加工中刀具具有更灵活，可采用平刀，平刀加工以面带形，可以保证高速切削，而且加工后的表面更连续光滑。所以可以大大的减少抛光量。

3.3 减少工装夹具数量和占地面积 尽管多轴数控加工中心的单台设备价格较高，但由于过程链的缩短和设备数量的减少，工装夹具数量、车间占地面积和设备维护费用也随之减少。

3.4 缩短生产过程链，简化生产管理 多轴数控机床的完整加工大大缩短了生产过程链，而且由于只把加工任务交给一个工作岗位，不仅使生产管理和计划调度简化，而且透明度明显提高。工件越复杂，它相对传统工序分散的生产方法的优势就越明显。同时由于生产过程链的缩短，在制品数量必然减少，可以简化生产管理，从而降低了生产运作和管理的成本。

4 多轴数控加工技术的难点

人们早已认识到多轴数控加工技术的优越性和重要性，但到目前为止，多轴数控加工技术的应用仍然局限于少数资金雄厚的部门。多轴数控加工由于干涉和刀具在加工空间的位置控制，其数控编程、数控系统和机床结构远比3轴机床复杂得多。目前，多轴数控加工技术存在以下问题:

4.1 多轴数控编程抽象、操作困难 这是每一个传统数控编程人员都深感头疼的问题。3轴机床只有直线坐标轴，而5轴数控机床结构形式多样；同一段NC代码可以在不同的3轴数控机床上获得同样的加工效果，但某一种5轴机床的NC代码却不能适用于所有类型的5轴机床。数控编程除了直线运动之外，还要协调旋转运动的相关计算，如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等，处理的信息量很大，数控编程极其抽象。多轴数控加工的操作和编程技能密切相关，如果用户为机床增添了特殊功能，则编程和操作会更复杂。只有反复实践，编程及操作人员才能掌握必备的知识和技能。经验丰富的编程与操作人员的缺乏，是多轴数控加工技术普及的大阻力。

4.2 刀具半径补偿困难 在5轴联动NC程序中，刀具长度补偿功能仍然有效，而刀具半径补偿却失效了。以圆柱铣刀进行接触成形铣削时，需要对不同直径的刀具编制不同的程序。目前流行的CNC系统尚无法完成刀具半径补偿，因为ISO文件中没有提供足够的数据对刀具位置进行重新计算。用户在进行数控加工时需要频繁换刀或调整刀具的确切尺寸，按照正常的处理程序，刀具轨迹应送回CA M系统重新进行计算，从而导致整个加工过程效率不高。对这个问题的最终解决方案，有赖于新一代CNC控制系统，该系统能够识别通用格式的工件模型文件(如STEP等)或CAD系统文件。

结束语

综上所述，多轴数控加工技术在我国已经取得了一定的发展，这种技术的优点众多，不但能够提高加工的精度，还能够节约厂房占地面积以及加工的效率。多轴数控加工技术正朝着高速、高精、复合、柔性和多功能智能化方向发展，努力达到高质量、高效率的目标。我国多轴数控加工技术研究起步较晚，与发达国家的技术水平还有很大的差距。目前，多轴数控加工中心的关键部件如5轴头、数控系统、伺服电机等核心技术及编程软件，国内企业多采用进口，价格高，成本居高不下。为此，只有自力更生实现自主研发突破关键技术，坚持走技术发展的道路，才能提高企业的利润空间。