多轴加工技术及应用1

多轴加工技术应用
1、产品质量的提高对产品性能要求提高，例如车灯模具：汽车大灯模具的精加工：用双转台五轴联动机床加工，由于大灯模具的特殊光学效果要求，用于反光的众多小曲面对加工的精度和光洁度都有非常高的指标要求，特别是光洁度，几乎要求达到镜面效果。

采用高速切削工艺装备及五轴联动机床用球铣刀切削出镜面的效果，就变得很容易，而过去的较为落后的加工工艺手段就几乎不可能实现。

2、机床模具相互促进技术进步
采用五轴联动机床加工模具可以很快的完成模具加工，交货快，更好的保证模具的加工质量，使模具加工变得更加容易，并且使模具修改变得容易。

在传统的模具加工中，一般用立式加工中心来完成工件的铣削加工。

随着模具制造技术的不断发展，立式加工中心本身的一些弱点表现得越来越明显。

现代模具加工普遍使用球头铣刀来加工，球头铣刀在模具加工中带来好处非常明显，但是如果用立式加工中心的话，其底面的线速度为零，这样底面的光洁度就很差，如果使用四、五轴联动机床加工技术加工模具，可以克服上述不足。

一、多轴加工涵义：
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
三个旋转轴为A、B、C
多轴加工准确地说应该是多坐标加工，它与普通的二坐标平面轮廓加工、点位加工三坐标曲面加工的本质区别是增加了旋转运动，也就是说多轴加工时刀具轴线的相对于工件不再是固定不变的，而是根据需要刀轴角度是变化的。

二、应用前景：
1、零件集成度提高，产品设计及更新换代加快；
零件越来越小巧，功能越来越多，产品零件越来越复杂，产品质量高（焊接，铆接减少，制造周期缩短）
2、医疗器械（人工关节等）
随着国民经济的迅速发展，人们知识水平及生活水平的不断提高，对生活质量要求也提高了，人工关节应用越来越广泛。

3、军事
爱好军事的朋友可能知道著名的“东芝事件”：上世纪八十年代末，日本东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床，结果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几个档次，使美国间谍船的声纳监听不到潜艇的声音了，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，要惩处东芝公司。

我们学校购买的北京一机数控铣床系统为Siemens810D，应该是四轴系统，说明书第一页注明：此系统四轴对中国大陆地区禁运，包括现在DMG的五轴加工机床对军工企业不予销售。

三、五轴加工分类：（比如要加工一个人的立体头像，三轴只能够加工面部，就像浮雕
一样的效果，四轴就可以加工整个头像，脖子和下巴之间的凹陷部位可能就不好加工，耳朵的内部就不能加工，五轴就可以做到。

）
1、五轴联动加工：五个轴同时运动使刀具到达预订位置，完成切削。

根据不
同角度来调整刀具加工角度。

此类零件占五轴加工类零件的5%，例如：发动
机的叶片、船用螺旋桨、各种人工关节骨骼等。

涡轮增压叶轮
人工关节锉零件图和三维图分别如下：关节
（手部）
2、五轴定位加工：即“3+2”（五面体）加工方式，两个旋转轴根据不同需要
转动到一定的角度，然后锁紧进行加工，当完成某一加工区域后，再根据需要
调整两个旋转轴的加工。

此类零件占五轴加工类零件的95%，见下图：
也有很多零件是两者综合的，例如第四届数控大赛
的零件如下：
四、五轴形式：
五轴联动机床的基本结构有三种。

一是适用于小型零件加工的双转台结构；
二是适用于中型零件加工的转台+摆轴结构；
三是适用于大型零件加工的双摆头龙门结构等。

1、五坐标联动双转台机床
(A)旋转坐标有足够的行程范围，工艺性能好．
(B)由于受结构的限制，摆动坐标的刚性较低，成为整个机床刚性的薄弱环节．而双转台机床，转台的刚性大大高于摆头的刚性，从而提高了机床总体刚性.
(C)便于发展成为加工中心．只需加装独立式刀库及换刀机械手即可但双转台机床转台坐标驱动功率较大，坐标转换关系较复杂；
2、五坐标联动一摆头一转台机床
一摆头一转台式机床性能则介于上述两者之间
3、五坐标联动双摆头机床
双摆头机床摆动坐标驱动功率较小，工件装卸方便且坐标转换关系简单
五、技术优点：
1、加工效率高
减少加工流程，减少工件装夹次数，减少放电区域，较少的模具抛光工序。

=> 节省时间及降低成本
2、加工质量高
使用较短的刀具，稳定的加工精度，平滑的表面质量。

=> 提高加工精度
3、改善刀具切削环境避免了球头铣刀中心切削速度为零的现象
=> 延长了刀具寿命，提高了工件表面光洁度
=> 降低了刀具成本
刀具可达性好
4、避免过切
清根彻底
六、轴加工机床的现状
多轴加工机床多为美国、日本、德国、意大利制造，例如美国的哈斯、日本的玛扎克、德国的德玛吉、巨浪等品牌在全球的市场占有率很高。

目前我国的沈阳机床厂、大连机床厂、济南机床厂等也能够生产五轴加工机床。

优势是：国有自主技术、价廉物美、易实现生产任务教学、售前及售后服务便捷、实际案例培训等。

受到院校欢迎，已不再是“高级展示品”
七、职业院校应用情况
国内的一些高等职业院校从五年前开
始引进四轴和五轴加工机床。

随着对多轴
加工技术的深入理解，目前许多的职业院
校已经把多轴加工技术引入教学中。

八、五轴数控加工难点
1、编程复杂、难度大、对使用者CAM软件应用水平要求高；
在三坐标铣削加工和普通的两坐标车削加工中，作为加工程序的NC代码的主体即是众多的坐标点，控制系统通过坐标点来控制刀尖参考点的运动，从而加工出需要的零件形状。

在编程的过程中，只需要通过对零件模型进行计算，在零件上得到点位数据即可。

而在多轴加工中，不仅需要计算出点位坐标数据，更需要得到坐标点上的矢量方向数据，这个矢量方向在加工中通常用来表达刀具的刀轴方向，这就对计算能力提出了挑战。

目前这项工作最经济的解决方案是通过计算机和CAM软件来完成，众多的CAM软件都具有这方面的能力。

但是，这些软件在使用和学习上难度比较大，编程过程中需要考虑的因素比较多，能使用CAM软件编程的技术人员成为多坐标加工的一个瓶颈因素。

比如常采用UG、Powermill等软件。

2、熟悉机床结构及后处理，需要采用辅助的加工仿真优化软件；
即使利用CAM软件，从目标零件上获得了点位数据和矢量方向数据之后，并不代表这些数据可以直接用来进行实际加工。

因为随着机床结构和控制系统的不同，这些数据如何能准确地解释为机床的运动，是多坐标联动加工需要着重解决的问题。

以五坐标联动的铣削机床为例，从结构类型上看，分为双转台、双摆头、单摆头/单转台三大类，每大类中由于机床运动部件的运动方式的不同而有所不同。

以直线轴Z轴为例，对于立式设备来说，人们编程时习惯以Z轴向上为正方向，但是有些设备是通过主轴头固定而工作台向下移动，产生的刀具相对向上移动实现的Z轴正方向移动；有些设备是工作台固定而主轴头向上移动，产生的刀具向上移动。

在刀具参考坐标系和零件参考坐标系的相对关系中，不同的机床结构对三坐标加工中心没有什么影响，但是对于多轴联动的设备来说就不同了，这些相对运动关系的不同对加工程序有着不同的要求。

由于机床控制系统的不同，对刀具补偿的方式和程序的格式也都有不同的要求。

因此，仅仅利用CAM软件计算出点位数据和矢量方向并不能真正地满足最终的加工需要。

这些点位数据和矢量方向数据就是前置文件。

我们还需要利用另外的工具将这些前置文件转换成适合机床使用的加工程序，这个工具就是后处理。

比如Vericut等仿真软件。

3、数控系统多采用Siemens840D和Heidenhain iTNC530等高档数控系统，需要全面掌握数控系统的各项功能；
4、五轴加工和高速加工紧密结合
●高速电主轴在模具自由曲面和复杂轮廓的加工中，常常采用2～12mm较小直径的立铣
刀，而在加工铜或石墨材料的电火花加工用的电极时，要求很高的切削速度，因此，电主轴必须具有很高的转速
●高速加工中心或铣床上多数还是采用伺服电机和滚珠丝杠来驱动直线坐标轴，但部分加
工中心已采用直线电机，于这种直线驱动免去了将回转运动转换为直线运动的传动元件，从而可显著提高轴的动态性能、移动速度和加工精度。

直线电机可以显著提高高速机床的动态性能。

由于模具大多数是三维曲面，刀具在加工曲面时，刀具轴要不断进行制动和加速。

只有通过较高的轴加速度才能在很高的轨迹速度情况下，在较短的轨迹路径上确保以恒定的每齿进给量跟踪给定的轮廓。

如果曲面轮廓的曲率半径愈小，进给速度愈高，那么要求的轴加速度愈高。

因此，机床的轴加速度在很大程度上影响到模具的加工精度和刀具的耐用度。

●转矩电机
在高速加工中心上，回转工作台的摆动以及叉形主轴头的摆动和回转等运动，已广泛采用转矩电机来实现。

转矩电机是一种同步电机，其转子直接固定在所要驱动的部件上，所以没有机械传动元件，它像直线电机一样是直接驱动装置。

转矩电机所能达到的角加速度要比传统的蜗轮蜗杆传动高6倍，在摆动叉形主轴头时加速度可达到3g。