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1定義

在三坐標銑削加工和普通的兩坐標車削加工中，作為加工程序的NC代碼的主體即是眾多的坐標點，控制系統(tǒng)通過坐標點來控制刀尖參考點的運動，從而加工出需要的零件形狀。在編程的過程中，只需要通過對零件模型進行計算，在零件上得到點位數(shù)據(jù)即可。而在多軸加工中，不僅需要計算出點位坐標數(shù)據(jù)，更需要得到坐標點上的矢量方向數(shù)據(jù)，這個矢量方向在加工中通常用來表達刀具的刀軸方向，這就對計算能力提出了挑戰(zhàn)。目前這項工作經(jīng)濟的解決方案是通過計算機和CAM軟件來完成，眾多的CAM軟件都具有這方面的能力。但是，這些軟件在使用和學習上難度比較大，編程過程中需要考慮的因素比較多，能使用CAM軟件編程的技術(shù)人員成為多坐標加工的一個瓶頸因素。

其次，即使利用CAM軟件，從目標零件上獲得了點位數(shù)據(jù)和矢量方向數(shù)據(jù)之后，并不代表這些數(shù)據(jù)可以直接用來進行實際加工。因為隨著機床結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的不同，這些數(shù)據(jù)如何能準確地解釋為機床的運動，是多坐標聯(lián)動加工需要著重解決的問題。以五坐標聯(lián)動的銑削機床為例，從結(jié)構(gòu)類型上看，分為雙轉(zhuǎn)臺、雙擺頭、單擺頭/單轉(zhuǎn)臺三大類，每大類中由于機床運動部件的運動方式的不同而有所不同。以直線軸Z軸為例，對于立式設備來說，人們編程時習慣以Z軸向上為正方向，但是有些設備是通過主軸頭固定而工作臺向下移動，產(chǎn)生的刀具相對向上移動實現(xiàn)的Z軸正方向移動；有些設備是工作臺固定而主軸頭向上移動，產(chǎn)生的刀具向上移動。在刀具參考坐標系和零件參考坐標系的相對關系中，不同的機床結(jié)構(gòu)對三坐標加工中心沒有什么影響，但是對于多軸聯(lián)動的設備來說就不同了，這些相對運動關系的不同對加工程序有著不同的要求。由于機床控制系統(tǒng)的不同，對刀具補償的方式和程序的格式也都有不同的要求。因此，僅僅利用CAM軟件計算出點位數(shù)據(jù)和矢量方向并不能真正地滿足終的加工需要。這些點位數(shù)據(jù)和矢量方向數(shù)據(jù)就是前置文件。我們還需要利用另外的工具將這些前置文件轉(zhuǎn)換成適合機床使用的加工程序，這個工具就是后處理。

2多軸加工技術(shù)

數(shù)控加工技術(shù)作為現(xiàn)代機械制造技術(shù)的基礎，使得機械制造過程發(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，無論在加工工藝，加工過程控制，還是加工設備與工藝裝備等諸多方面均有顯著不同。我們熟悉的數(shù)控機床有XYZ三個直線坐標軸，多軸指在一臺機床上至少具備第4軸。通常所說的多軸數(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)控加工能同時控制4個以上坐標軸的聯(lián)動，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，可以對加工面進行銑、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越為廣泛的應用。它們的大優(yōu)點就是使原本復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)量的提高對產(chǎn)品性能要求提高，例如車燈模具：汽車大燈模具的精加工：用雙轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動機床加工，由于大燈模具的特殊光學效果要求，用于反光的眾多小曲面對加工的精度和光潔度都有非常高的指標要求，特別是光潔度，幾乎要求達到鏡面效果。采用高速切削工藝裝備及五軸聯(lián)動機床用球銑刀切削出鏡面的效果，就變得很容易，而過去的較為落后的加工工藝手段就幾乎不可能實現(xiàn)。采用五軸聯(lián)動機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表現(xiàn)得越來越明顯。現(xiàn)代模具加工普遍使用球頭銑刀來加工，球頭銑刀在模具加工中帶來好處非常明顯，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)動機床加工技術(shù)加工模具，可以克服上述不足。

多軸加工的類型

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，也只能完成工件的四面加工。多軸數(shù)控加工中心具有率、高精度的特點，工件在一次裝夾后能完成5個面的加工。如果配置5軸聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)，還可以對復雜的空間曲面進行高精度加工，非常適于加工汽車零部件、飛機結(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置方式

（1）工作臺回轉(zhuǎn)軸。

這種設置方式的多軸數(shù)控加工機床的優(yōu)點是：主軸結(jié)構(gòu)比較簡單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺不能設計太大，承重也較小，特別是當A 軸回轉(zhuǎn)角度≥90°時，工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩。

（2）立式主軸頭回轉(zhuǎn)。

這種設置方式的多軸數(shù)控加工機床的優(yōu)點是：主軸加工非常靈活，工作臺也可以設計得非常大。在使用球面銑刀加工曲面時，當?shù)毒咧行木€垂直于加工面時，由于球面銑刀的頂點線速度為零，頂點切出的工件表面質(zhì)量會很差，而采用主軸回轉(zhuǎn)的設計，令主軸相對工件轉(zhuǎn)過一個角度，使球面銑刀避開頂點切削，保證有一定的線速度，可提高表面加工質(zhì)量，這是工作臺回轉(zhuǎn)式加工中心難以做到的。

多軸加工的特點

采用多軸數(shù)控加工，具有如下幾個特點：

（1）減少基準轉(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加工過程中只需一次裝夾，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)控加工中心的單臺設備價格較高，但由于過程鏈的縮短和設備數(shù)量的減少，工裝夾具數(shù)量、車間占地面積和設備維護費用也隨之減少。

（3）縮短生產(chǎn)過程鏈，簡化生產(chǎn)管理。

多軸數(shù)控機床的完整加工大大縮短了生產(chǎn)過程鏈，而且由于只把加工任務交給一個工作崗位，不僅使生產(chǎn)管理和計劃調(diào)度簡化，而且透明度明顯提高。工件越復雜，它相對傳統(tǒng)工序分散的生產(chǎn)方法的優(yōu)勢就越明顯。同時由于生產(chǎn)過程鏈的縮短，在制品數(shù)量必然減少，可以簡化生產(chǎn)管理，從而降低了生產(chǎn)運作和管理的成本。

（4）縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期。

對于航空航天、汽車等領域的企業(yè)，有的新產(chǎn)品零件及成型模具形狀很復雜，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)過程中復雜零件加工的精度和周期問題，大大縮短研發(fā)周期和提*的成功率。

3五軸車銑技術(shù)

五軸車銑技術(shù)是多軸加工技術(shù)的典型，五軸車銑中心是五軸車銑技術(shù)的載體，是指一種以車削功能為主，并集成了銑削和鏜削等功能，至少具有3個直線進給軸和2個圓周進給軸，且配有自動換刀系統(tǒng)的機床的統(tǒng)稱。這種車銑復合加工中心是在三軸車削中心基礎上發(fā)展起來的，相當于1臺車削中心和1臺加工中心的復合，是2O世紀90年代發(fā)展起來的復合加工技術(shù)，是一種在傳統(tǒng)機械設計技術(shù)和精密制造技術(shù)基礎上，集成了現(xiàn)代*控制技術(shù)、精密測量技術(shù)和CAD/CAM 應用技術(shù)的*機械加工技術(shù)。五軸車銑中心的*性表現(xiàn)在其設計理念上。在通常的機械加工概念中，1個零件的加工，少則一兩工序，多則上百工序，要經(jīng)過多臺設備的加工來完成，要準備刀具、工裝夾具。對復雜的零件來說，有的一套工裝的準備就需要三、五個月的時間，即使不考慮經(jīng)濟成本，三、五個月的時間很可能會錯過許多商品機遇和戰(zhàn)略機遇。在汽車、家電等批量生產(chǎn)行業(yè)，為了提率和自動化水平，廣泛采用自動化生產(chǎn)線，龐大的物流系統(tǒng)構(gòu)成了自動線很主要的一部分，同時是一個占錢、占地的部分，也是故障多發(fā)的部分，對復雜形面的加工，物流更是一個大問題。零件的多次裝夾和基準轉(zhuǎn)換，有時帶來不必要的工序，同時也使零件加工精度喪失。五軸車銑復合加工中心從設計概念上解決了這個問題，它是一次裝夾，完成加工范圍內(nèi)的全部或絕大部分工序，實現(xiàn)了從復合加工到完整加工的飛躍。

五軸車銑復合加工中心從產(chǎn)生至今，已有近20年的歷史，技術(shù)已經(jīng)成熟并被國內(nèi)外用戶接收和認可。從趨勢上看，主要向以下幾個方向發(fā)展：

（1）更高工藝范圍。

通過增加特殊功能模塊，實現(xiàn)更多工序集成。例如將齒輪加工、內(nèi)外磨削加工、深孔加工、型腔加工、激光淬火、在線測量等功能集成到車銑中心上，真正做到所有復雜零件的完整加工。

（2）更率。

通過配置雙動力頭、雙主軸、雙刀架等功能，實現(xiàn)多刀同時加工，提高加工效率。

（3）大型化。

由于大型零件一般多是結(jié)構(gòu)復雜、要求加工的部位和工序較多、安裝定位也較費時費事的零件，而車銑復合加工的主要優(yōu)點之一是減少零件在多工序和多工藝加工過程中的多次重新安裝調(diào)整和夾緊時間，所以采用車銑中心進行復合加工比較有利。所以目前五軸車銑復合加工中心正向大型化發(fā)展。例如沈陽機床的HTM125系列五軸車銑中心，回轉(zhuǎn)直徑達到1250mm，加工長度可以達到10000mm，非常適合大型船用柴油機曲軸的車銑加工。

（4）結(jié)構(gòu)模塊化和功能可快速重組

五軸車銑中心的功能可快速重組是其能快速響應市場需求，并能搶占市場的重要條件，而結(jié)構(gòu)模塊化是五軸車銑中心功能可快速重組的基礎。一些技術(shù)*的廠家（如德國DMG、奧地利的WFL、日本的MAZAK公司等）的許多產(chǎn)品都已實現(xiàn)結(jié)構(gòu)模塊化設計，并正在向如何實現(xiàn)功能快速重組的方面努力。

五軸車銑技術(shù)的*理念是提高產(chǎn)品質(zhì)量和縮短產(chǎn)品制造周期。因此，這種技術(shù)在軍工、航空、航天、船舶以及一些民用工業(yè)領域中的應用具有相當?shù)膬?yōu)勢，尤其在航空航天領域一些形狀復雜的異形零件的加工中更具優(yōu)勢，因此國外早已在航空航天領域大批采用此類設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加工設備，而國內(nèi)在這方面則比較落后，因此還需借鑒國外的*經(jīng)驗，爭取在五軸車銑技術(shù)的應用領域改變落后的局面。

4加工技術(shù)難點

人們早已認識到多軸數(shù)控加工技術(shù)的*性和重要性，但到目前為止，多軸數(shù)控加工技術(shù)的應用仍然局限于少數(shù)資金雄厚的部門，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)和機床結(jié)構(gòu)遠比3軸機床復雜得多。目前，多軸數(shù)控加工技術(shù)存在以下幾個問題：

（1）多軸數(shù)控編程抽象、操作困難。

這是每一個傳統(tǒng)數(shù)控編程人員都深感頭疼的問題。3軸機床只有直線坐標軸，而5軸數(shù)控機床結(jié)構(gòu)形式多樣；同一段NC代碼可以在不同的3軸數(shù)控機床上獲得同樣的加工效果，但某一種5軸機床的NC代碼卻不能適用于所有類型的5軸機床。數(shù)控編程除了直線運動之外，還要協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運動的相關計算，如旋轉(zhuǎn)角度行程檢驗、非線性誤差校核、刀具旋轉(zhuǎn)運動計算等，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，如果用戶為機床增添了特殊功能，則編程和操作會更復雜。只有反復實踐，編程及操作人員才能掌握*的知識和技能。經(jīng)驗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）刀具半徑補償困難。

在5軸聯(lián)動NC程序中，刀具長度補償功能仍然有效，而刀具半徑補償卻失效了。以圓柱銑刀進行接觸成形銑削時，需要對不同直徑的刀具編制不同的程序。目前流行的CNC系統(tǒng)尚無法完成刀具半徑補償，因為ISO文件中沒有提供足夠的數(shù)據(jù)對刀具位置進行重新計算。用戶在進行數(shù)控加工時需要頻繁換刀或調(diào)整刀具的確切尺寸，按照正常的處理程序，刀具軌跡應送回CAM系統(tǒng)重新進行計算，從而導致整個加工過程效率不高。對這個問題的終解決方案，有賴于新一代CNC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠識別通用格式的工件模型文件（如STEP等）或CAD系統(tǒng)文件。

（3）購置機床需要大量投資。

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

5展望

多軸數(shù)控加工技術(shù)正朝著高速、高精、復合、柔性和多功能方向發(fā)展，努力達到高質(zhì)量、率的目標。我國多軸數(shù)控加工技術(shù)研究起步較晚，與發(fā)達國家的技術(shù)水平還有很大的差距。目前，多軸數(shù)控加工中心的關鍵部件如5軸頭、數(shù)控系統(tǒng)、電動機，國內(nèi)企業(yè)多采用進口，價格高，成本居高不下。為此，只有自力更生實現(xiàn)自主研發(fā)突破關鍵技術(shù)，堅持走技術(shù)發(fā)展的道路，才能提高企業(yè)的利潤空間。