浅析多轴数控加工技术

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摘要：随着科学技术的突飞猛进，模具制造技术迅速发展，多轴数控加工、高速加工、电火花加工、快速模具制造等先进技术在模具制造中得到了广泛的应用。本文介绍了多轴数

控加工技术的特点及常用类型，并指出了多轴数控加工编程技术存在的问题、以及实现多

轴数控加工技术的难点。

关键词：模具制造；多轴数控加工；多轴数控加工编程

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一、建立多轴的概念

多轴数控加工一般指三轴半以上的数控加工，它一直是数控加工的难点。因为三轴以下的加工在我们头脑中是一个比较直观的东西，我们很容易想象三轴走刀的具体情况，同样在CAM软件中三轴以下的加工程序编制也容易的多。多轴加工则不然，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、数控镗、数控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、锁、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。

二、多轴数控加工的特点

采用多轴数控加工，具有如下几个特点：

（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。

（2）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、车问占地面积和设备维护费用也随之减少。

（3）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。

（4）缩短新产品研发周期。

对于航空航天、汽车等领域的企业，有的新产品零件及成型模具形状很复杂，精度要求也很高，因此具备高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力的多轴数控加工中心可以很好地解决新产品研发过程中复杂零件加工的精度和周期问题，大大缩短研发周期和提高新产品的成功率。

三、多轴数控加工的类型

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：

⑴工作台回转轴。

作台可以环绕x轴回转，定义为A轴，A轴的一般工作范围是+30°至-120°。工作台的中问还设有一个回转台，环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360°回转。通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的5个面都可以由立式主轴刀具进行加工。A轴和C轴的最小分度值一般为0.001°，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如果与X ，Y ， Z3轴实现联动，就可加工出复杂的空问曲面。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）立式主轴头回转。

主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360°，成为C轴，回转头上还带有可环绕X轴旋转的A轴，一般可达到90°以上。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。

四、多轴数控加工编程技术

多轴数控加工与三轴数控加工的本质区别在于：在3轴数控加工情况下，刀具轴线在工件坐标系中是固定的，总是平行于Z轴；而在5轴数控加工情况下，刀具轴线一般是变化的。因此3轴数控加工的研究关键在于加工特征的识别和刀具路径的规划，多轴数控加工的研究关键在于刀具姿态的优化。

多轴数控加工编程的一般步骤是：

⑴根据模型定义切削策略：可变轴轮廓铣是多轴加工的常用方式，首先从驱动几何体上生成驱动点，将驱动点沿着设定的矢量映射到零件模型上，生成刀位轨迹。判断刀位轨迹的要素为刀位轨迹的长短和方向的变化。

⑵刀轴控制方式：与3轴固定轮廓铣不同之处在于对刀具轴线矢量的控制，驱动方法通常有点、线、面等3种方式，其选择的原则是尽量使刀具轴线变化平稳，以保持切削载荷的稳定。

⑶切削参数的选择：切削参数的选择要考虑到整个加工系统的每个因素，其中，刀具和工件的影响最为明显。在加工对象确定的情况下，根据工件的形状、大小、切削性能等特点，选择合适的刀具材料、直径等各项参数，进而确定切削速度、主轴转速、切削深度等参数。

五、实现多轴数控加工技术的难点

多轴数控加工由于干涉和刀具在加工空问的位置控制，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几个问题：

（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D运动计算等，处理的信息量很大，数控编程极其抽象。

（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CAM系统重新进行计算，从而导致整个加工过程效率不高。

（3）购置机床需要大量投资。

多轴数控加工机床和3轴数控加工机床之问的价格悬殊很大。多轴数控加工除了机床本身的投资之外，还必须对CAD/CAM系统软件和后置处理器进行升级，使之适应多轴数控加工的要求，以及对校验程序进行升级，使之能够对整个机床进行仿真处理。

参考文献：

[1]宋放之，数控机床多轴加工技术实用教程，清华大学出版社，2010.4

[2]丁海萍，刀具补偿在数控加工中的应用，装备制造技术，2008.5

[3]李粉霞，手工编程在多轴加工中的应用，机械工程师，2009.8