学文网摘 要：随着时代的发展和社会经济的进步，如今机械制造技术日趋成熟，人们对产品提出了更高的要求，产品形状结构日趋多样，越来越精密；采用传统的制造技术无法获得较高的工作效率，并且加工质量也无法得到保证。针对这种问题，就可以应用多轴数控加工技术。本文以某轿车模型为例，分析了五轴联动数控技术的应用，希望可以提供一些有价值的参考意见。
关键词：五轴联动数控技术；加工案例；分析
如今在各个领域内的产品往往有着十分复杂的形状和结构，比如航空、航天产品等，这是由力学性能要求所决定的；另外，在民用产品方面，比如玩具、装饰品等，也有着十分怪异的形态，这是因为人们的需求逐渐趋向个性化，这样就可以在各个领域内有效应用多轴数控加工技术。相较于传统的加工技术，本技术有着很大的优势，装卡一次，就可以对复杂零件的多个表面进行加工，不仅可以拥有较高的精度，效率也很高。
1.多轴数控机床概述
五轴联动机床是多轴机床中非常有典型的代表，它可以对任意复杂曲面的零件进行加工。通过大力研究五轴联动机床的结构模型，可以对机床的运动原理深入理解，结合具体的机床情况，来对后处理程序进行科学的编制，以此来更好的对产品进行加工。
具体来讲，五轴联动机床的组成可以分为回转轴和平动轴，前者有两个，后者有三个。又可以将其分为三种形式，分别为刀具双摆动、工作台双旋转以及两者共同摆动和旋转，这种划分的依据是旋转轴具体结构的差异。定向轴指的是旋转轴法向矢量固定的轴，那么矢量会出现改变的轴就为变向轴。五轴机床可以进行刀具双摆动，那么对于大型零件的复杂曲面都可以进行加工，这样拥有的性能就比较的优良。
2.五轴加工的程序编制
相较于三轴加工，五轴加工具有一系列的不同，在过去三轴加工的条件下，工件坐标系中，有着固定的刀具轴线， 而在如今五轴加工的条件下，可以结合具体情况来改变刀具轴线。在控制刀具轴线的时候，需要保证加工质量，提高切削效率。那么，我们就可以了解到优化刀具姿态就是五轴加工的关键。一般有三种刀具轴线控制方式经常会被用到，分别是与加工表面平行、垂直以及倾斜。在五轴加工中，最经常用到的控制方法其实还是倾斜于加工表面，在一些特殊情况下，会用到与加工表面平行和垂直的方式。加工的曲面如果比较复杂，为了避免有刀具、工件以及夹具等干涉问题的出现，往往会对角度进行改变，并且对数控程序进行优化。
一般按照这样的步骤来编制五轴程序：一是结合模型来对切削策略进行定义，在多轴加工中，比较经常用到的方式是可变轴轮廓铣，将驱动点合理生成于驱动几何体上，然后沿着设定的矢量向零件模型上映射驱动点，这样刀位轨迹就可以自动生成。我们在对刀位轨迹生成质量进行判断时，主要依据的是刀位轨迹的长度来进行，同时，还需要将刀轴的方向变化情况充分纳入考虑范围。
二是刀轴控制方式：刀轴控制方式切削加工，相较于三轴固定轮廓铣，本方法可以自由控制刀具轴线矢量。可以结合具体情况来对驱动方法进行选择，不仅可以从面进行，还可以从点和线来进行，不管采用哪种驱动方法，都需要不能太过急促的改变刀具轴线，否则就会对切削载荷产生影响。
三是合理选择切削参数：在选择切削参数的时候，需要综合考虑，将加工系统中的每一个因素充分纳入考虑范围，其中，影响最大的方面是刀具和工件。首先要确定加工对象，对加工对象的大小以及工件形状等进行分析，然后依据选用的刀具，对切削参数等进行合理选择，比如刀具材料、直径等，之后还需要对其他的各种参数进行深入选择，比如机床转速、刀具切深等等。
3.五轴联动数控技术的加工案例
在本加工案例中，选择的是某种小轿车的汽车模型，经过一次装卡，加工全部完成。具体来讲，从这些方面来进行分析：
本小轿车的尺寸为450mm×290mm×220mm，加工曲面比较的复杂，将代木设置为加工材料。在本轿车模型的加工中，主要需要注意这些方面，首先是如何更好的控制五轴联动数控机床加工中的刀轴，如何保证那些非连续复杂曲面的加工精度；其次，采用合理方法来制作驱动曲面，生成五轴联动以及固定五轴的加工程序。在本次加工中，选用的是我国某公司自主研发和生产出来的五轴联动数控机床，本汽车模型有着较为复杂的加工曲面，还需要加工一些倒扣面，可以将五轴联动加工技术的特点充分体现出来。如果采用三轴数控机床，是无法满足使用需求的。在数控系统方面，依然选用我国某公司自主研发和生产的高档网络数控系统，可以非常有效的控制多轴联动机床。并且，选用的本网络数控技术对多轴联动加工的关键性控制技术也进行了改进，可以更好的扩展控制轴，系统对皮米插补功能以及其他的补偿功能也进行了改进；此外，本系统还具有其他的一系列功能，比如在加工过程中，可以对摆轴长度进行合理设定；可以进行前瞻控制；另外，本数控系统还结合了windows系统，这样数控系统的专用性才可以得到提高。同时，更好的设计了软件的界面，可以对五轴加工过程进行更好的模拟显示。在卡具选用方面，也需要引起人们的重视，特别是工件的装卡位置，选择对了位置，才可以促使操作人员更好的装卡。我们在装卡的时候，选择的是强力拉紧螺钉，这样在专用卡具上就可以牢牢的固定小轿车，可以更加可靠的进行加工。
合理选用加工刀具以及刀柄，在本加工案例中，通过对汽车模型加工要素和加工精度等进行综合分析，需要用3把刀具完成加工。分别选用r4圆角的Φ16立铣刀；Φ6整体硬质合金球刀；Φ10r1的整体硬质合金铣刀。刀柄选用热膨胀结构刀柄，夹持刀具就可以更加的精准，保证在高速旋转时刀具的动平衡，并且回转精度也不会受到影响。这样，切削加工的精度就可以得到显著提高，获得更加好的工件表面，并且在切削过程中，刀具的受力状态也可以得到显著改善。
在CAM软件中后置设置方面：一是制作驱动曲面，上文我们已经提到，在多轴编程中，首先是依据相关策略，促使驱动点合理生成于驱动曲面，然后采取合理的投影方法，向被加工的工件表面上投影这些生成的驱动点，依据某些规则来促使刀具路径自动生成。在多轴加工中，可以结合具体情况来改变刀轴的轴线方向，这样就可以有效加工复杂曲面。我们需要注意的是，被加工曲面的加工效率以及精度等都会受到驱动曲面的影响，因此，一定要科学合理的制作驱动曲面，尽量制作的简单一些，不能过于复杂。
二是编制数控加工程序：首先是编制粗加工程序，利用加工模块中的固定五轴来编程小汽车模型，促使工具加工可以从各个方向来进行，并且完成了粗加工之后，可以取出小轿车的大面积材料。其次，编制半精加工程序，我们在半精加工小轿车时，采用的是多轴加工―连续五轴，将工件的残留量给去除掉。然后是编制精加工程序，在精加工小轿车各个区域时，我们采用的是Φ6球刀，这样不仅加工精度可以得到保证，还可以有效提高加工效率和加工质量。然后我们结合具体的操作要求，来对驱动曲面的驱动方向、参数以及其他的各个方面进行合理设置，比如切削方式、切削参数、非切削参数等等。其他的参数则是依据相关的规定，来对加工程序进行合理编制。一般来讲，在五轴联动的编程中，很难采用手工编程的方式需要大量的数学计算，借助专业的软件来进行自动编程。最后，在编制多轴程序时，非常重要的一个方面就是控制刀轴，同时，这样方面也存在着较大的难度，它会对工件加工的精度以及质量等诸多方面产生直接影响，因此需要引起人们足够的重视。在本加工案例中，刀轴的变化主要是利用驱动曲面来实现的。
在建造多轴后置处理方面，后置处理有着十分大的作用，因为我们采用的CAM软件在计算工件的刀具路径时，并没有考虑工件的变化，结合工件上等待加工的空间点，来在工件上转动刀具。在后置处理时，结合机床结构以及具体的运动关系，来对刀具路径进行数据转换，之后将其转换为相应的合适的程序代码。要想进行多轴程序的后置处理，就需要构造一个后置处理，保证构造的这个后置处理和数控机床有着相同的结构，并且和数控系统的指令格式以及运行特点等也是符合的。那么，在构造后置处理时，需要对数控机床的结构充分了解，并且将数控系统的运行特点以及指令格式等充分纳入考虑范围，，完成构造之后，将其合理保存。通过自动编程将刀位程序编制好之后，需要进行转换，一般将其转换为标准G代码，这样才可以被数控机床所读取。这些工序完成之后，就需要校验这些程序，因为本系统具有模拟显示的功能，那么就可以在软件中建立一个五轴联动数控机床，它和实际结构有着相同的转台，其他方面也都是相同的，按照实际的位置将汽车模型放进去，就可以进行模拟加工。
机床实际加工：在转台上合理安装夹具，转台的旋转中心和夹具的回转中心重合，然后在夹具上安装汽车毛胚。结合编程时确定下来的加工原点，来设定刀具，然后就可以进行机床的操作。不管是粗加工，还是精加工，都需要严格依据确定下来的工艺参数来进行。在加工过程中，连续摆动摆动轴，控制其摆动范围，同时，转动回转轴，配合直线轴，来对那些倒扣的曲面进行加工。
4.结语
通过上文的叙述分析我们可以得知，如今的产品有着越来越复杂的结构和外型，人们个性化审美的发展，对产品加工精度和加工质量提出了更高的要求。对于一些复杂曲面的加工，采用过去那种三轴联动数控技术已经无法满足需求，针对这种情况，就可以采用五轴联动数控技术；通过大量的实践研究表明，采用五轴联动数控技术，可以结合产品的具体情况，对刀轴进行合理控制，还可以进行一些倒扣曲面的加工，这样就可以有效提高产品的加工质量和加工精度。本文以某小轿车为例，分析了五轴联动数控技术的应用，希望可以提供一些有价值的参考意见。
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作者简介：
邢美峰（1973―），男，民族：蒙，籍贯：内蒙古，学历：大学本科，职称：讲师，研究方向：机电一体化，数控加工。
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