多軸數(shù)控加工中心編程與加工技術(shù)

數(shù)控加工技術(shù)作為現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的基礎(chǔ)，使得機(jī)械制造過(guò)程發(fā)生了顯著的變化。現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，無(wú)論在加工工藝，加工過(guò)程控制，還是加工設(shè)備與工藝裝備等諸多方面均有顯著不同。我們熟悉的數(shù)控機(jī)床有XYZ三個(gè)直線坐標(biāo)軸，多軸指在一臺(tái)機(jī)床上至少具備第4軸。通常所說(shuō)的多軸數(shù)控加工是指4軸以上的數(shù)控加工，其中具有代表性的是5軸數(shù)控加工。

多軸數(shù)控加工能同時(shí)控制4個(gè)以上坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)，將數(shù)控銑、數(shù)控鏜、數(shù)控鉆等功能組合在一起，工件在一次裝夾后，可以對(duì)加工面進(jìn)行銑、鏜、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(chǎn)周期，提高加工精度。隨著模具制造技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)加工中心的加工能力和加工效率提出了更高的要求，因此多軸數(shù)控加工技術(shù)得到了空前的發(fā)展。

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，多軸數(shù)控加工中心正在得到越來(lái)越為廣泛的應(yīng)用。它們的最大優(yōu)點(diǎn)就是使原本復(fù)雜零件的加工變的容易了許多，并且縮短了加工周期，提高了表面的加工質(zhì)量。產(chǎn)品質(zhì)量的提高對(duì)產(chǎn)品性能要求提高，例如車(chē)燈模具：汽車(chē)大燈模具的精加工：用雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工，由于大燈模具的特殊光學(xué)效果要求，用于反光的眾多小曲面對(duì)加工的精度和光潔度都有非常高的指標(biāo)要求，特別是光潔度，幾乎要求達(dá)到鏡面效果。采用高速切削工藝裝備及五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床用球銑刀切削出鏡面的效果，就變得很容易，而過(guò)去的較為落后的加工工藝手段就幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。采用五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工模具可以很快的完成模具加工，交貨快，更好的保證模具的加工質(zhì)量，使模具加工變得更加容易，并且使模具修改變得容易。在傳統(tǒng)的模具加工中，一般用立式加工中心來(lái)完成工件的銑削加工。隨著模具制造技術(shù)的不斷發(fā)展，立式加工中心本身的一些弱點(diǎn)表現(xiàn)得越來(lái)越明顯?，F(xiàn)代模具加工普遍使用球頭銑刀來(lái)加工，球頭銑刀在模具加工中帶來(lái)好處非常明顯，但是如果用立式加工中心的話，其底面的線速度為零，這樣底面的光潔度就很差，如果使用四、五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工技術(shù)加工模具，可以克服上述不足。

多軸加工的類(lèi)型

加工中心一般分為立式加工中心和臥式加工中心。三軸立式加工中心最有效的加工面僅為工件的頂面，臥式加工中心借助回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，也只能完成工件的四面加工。多軸數(shù)控加工中心具有高效率、高精度的特點(diǎn)，工件在一次裝夾后能完成5個(gè)面的加工。如果配置5軸聯(lián)動(dòng)的高檔數(shù)控系統(tǒng)，還可以對(duì)復(fù)雜的空間曲面進(jìn)行高精度加工，非常適于加工汽車(chē)零部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等工件的成型模具。根據(jù)回轉(zhuǎn)軸形式，多軸數(shù)控加工中心可分為兩種設(shè)置方式

（1）工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸。

這種設(shè)置方式的多軸數(shù)控加工機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)是：主軸結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺(tái)不能設(shè)計(jì)太大，承重也較小，特別是當(dāng)A 軸回轉(zhuǎn)角度≥90°時(shí)，工件切削時(shí)會(huì)對(duì)工作臺(tái)帶來(lái)很大的承載力矩。

（2）立式主軸頭回轉(zhuǎn)。

這種設(shè)置方式的多軸數(shù)控加工機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)是：主軸加工非常靈活，工作臺(tái)也可以設(shè)計(jì)得非常大。在使用球面銑刀加工曲面時(shí)，當(dāng)?shù)毒咧行木€垂直于加工面時(shí)，由于球面銑刀的頂點(diǎn)線速度為零，頂點(diǎn)切出的工件表面質(zhì)量會(huì)很差，而采用主軸回轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)，令主軸相對(duì)工件轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，使球面銑刀避開(kāi)頂點(diǎn)切削，保證有一定的線速度，可提高表面加工質(zhì)量，這是工作臺(tái)回轉(zhuǎn)式加工中心難以做到的。

多軸加工的特點(diǎn)

采用多軸數(shù)控加工，具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）減少基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，提高加工精度。

多軸數(shù)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(gè)加工過(guò)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(shù)量和占地面積。

盡管多軸數(shù)控加工中心的單臺(tái)設(shè)備價(jià)格較高，但由于過(guò)程鏈的縮短和設(shè)備數(shù)量的減少，工裝夾具數(shù)量、車(chē)間占地面積和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用也隨之減少。

（3）縮短生產(chǎn)過(guò)程鏈，簡(jiǎn)化生產(chǎn)管理。

多軸數(shù)控機(jī)床的完整加工大大縮短了生產(chǎn)過(guò)程鏈，而且由于只把加工任務(wù)交給一個(gè)工作崗位，不僅使生產(chǎn)管理和計(jì)劃調(diào)度簡(jiǎn)化，而且透明度明顯提高。工件越復(fù)雜，它相對(duì)傳統(tǒng)工序分散的生產(chǎn)方法的優(yōu)勢(shì)就越明顯。同時(shí)由于生產(chǎn)過(guò)程鏈的縮短，在制品數(shù)量必然減少，可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)管理，從而降低了生產(chǎn)運(yùn)作和管理的成本。

（4）縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期。

對(duì)于航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域的企業(yè)，有的新產(chǎn)品零件及成型模具形狀很復(fù)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(shù)控加工中心可以很好地解決新產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中復(fù)雜零件加工的精度和周期問(wèn)題，大大縮短研發(fā)周期和提高新產(chǎn)品的成功率。

人們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到多軸數(shù)控加工技術(shù)的優(yōu)越性和重要性，但到目前為止，多軸數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用仍然局限于少數(shù)資金雄厚的部門(mén)，并且仍然存在尚未解決的難題。多軸數(shù)控加工由于干涉和刀具在加工空間的位置控制，其數(shù)控編程、數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比3軸機(jī)床復(fù)雜得多。目前，多軸數(shù)控加工技術(shù)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）多軸數(shù)控編程抽象、操作困難。

這是每一個(gè)傳統(tǒng)數(shù)控編程人員都深感頭疼的問(wèn)題。3軸機(jī)床只有直線坐標(biāo)軸，而5軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)形式多樣；同一段NC代碼可以在不同的3軸數(shù)控機(jī)床上獲得同樣的加工效果，但某一種5軸機(jī)床的NC代碼卻不能適用于所有類(lèi)型的5軸機(jī)床。數(shù)控編程除了直線運(yùn)動(dòng)之外，還要協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)計(jì)算，如旋轉(zhuǎn)角度行程檢驗(yàn)、非線性誤差校核、刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算等，處理的信息量很大，數(shù)控編程極其抽象。多軸數(shù)控加工的操作和編程技能密切相關(guān)，如果用戶為機(jī)床增添了特殊功能，則編程和操作會(huì)更復(fù)雜。只有反復(fù)實(shí)踐，編程及操作人員才能掌握必備的知識(shí)和技能。經(jīng)驗(yàn)豐富的編程與操作人員的缺乏，是多軸數(shù)控加工技術(shù)普及的大阻力。

（2）刀具半徑補(bǔ)償困難。

在5軸聯(lián)動(dòng)NC程序中，刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能仍然有效，而刀具半徑補(bǔ)償卻失效了。以圓柱銑刀進(jìn)行接觸成形銑削時(shí)，需要對(duì)不同直徑的刀具編制不同的程序。目前流行的CNC系統(tǒng)尚無(wú)法完成刀具半徑補(bǔ)償，因?yàn)镮SO文件中沒(méi)有提供足夠的數(shù)據(jù)對(duì)刀具位置進(jìn)行重新計(jì)算。用戶在進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)需要頻繁換刀或調(diào)整刀具的確切尺寸，按照正常的處理程序，刀具軌跡應(yīng)送回CAM系統(tǒng)重新進(jìn)行計(jì)算，從而導(dǎo)致整個(gè)加工過(guò)程效率不高。對(duì)這個(gè)問(wèn)題的最終解決方案，有賴(lài)于新一代CNC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠識(shí)別通用格式的工件模型文件（如STEP等）或CAD系統(tǒng)文件。

（3）購(gòu)置機(jī)床需要大量投資。

多軸數(shù)控加工機(jī)床和3軸數(shù)控加工機(jī)床之間的價(jià)格懸殊很大。多軸數(shù)控加工除了機(jī)床本身的投資之外，還必須對(duì)CAD/CAM系統(tǒng)軟件和后置處理器進(jìn)行升級(jí)，使之適應(yīng)多軸數(shù)控加工的要求，以及對(duì)校驗(yàn)程序進(jìn)行升級(jí)，使之能夠?qū)φ麄€(gè)機(jī)床進(jìn)行仿真處理。