多軸控制的高速加工中心

以往對(duì)飛機(jī)、渦輪機(jī)、水輪機(jī)和各類模具中具有高附加價(jià)值的復(fù)雜形狀零部個(gè)，都采用多道工序和多臺(tái)機(jī)床進(jìn)行加工。這樣有僅加工周期長(zhǎng)，還由于多次裝夾而難以達(dá)到高精度。不過，技術(shù)不斷在進(jìn)步。牌價(jià)推出加工中心之后，在一次裝夾中可以對(duì)坯料的五個(gè)面進(jìn)行平面、曲面、鉆孔和鉸孔等多種加工，從而縮短了加工周期和提高了加工精度�，F(xiàn)在則要進(jìn)一步擴(kuò)展加工中心的加工能力和加工效率，為此推動(dòng)了加工中心向多軸控制和超高速加工方向發(fā)展，令機(jī)加工又向前跨進(jìn)一大步。

        多軸控制的基本概念

        通常所說的多軸控制是指4軸以上的控制，其中具有代表性的是5軸控制加工中心。這種加工中心可以加工用3軸控制機(jī)床無法加工的復(fù)雜形狀工件。如果用它來加工3軸控制機(jī)床能加工的工件，那可以提高加工精度和效率。

       對(duì)刀具和工件的相對(duì)位置來說，現(xiàn)在的多軸控制加工中心可以設(shè)置6根軸，即沿直線作前后、左右或上下移動(dòng)的X、Y、Z的3根軸，還有控制工作臺(tái)傾斜角度的B軸和控制主軸回轉(zhuǎn)角度的C軸。使用回轉(zhuǎn)刀具時(shí)，則由Z軸控制回轉(zhuǎn)的主軸作上下或前后移動(dòng)，就成為5軸控制。只有使用非回轉(zhuǎn)刀具時(shí)可作6軸控制。  

        通常為了提高加工效率而使用回轉(zhuǎn)刀具，但因而也受到回轉(zhuǎn)刀具的限制，存在不可能加工的部位和形狀�，F(xiàn)在不僅可以使用回轉(zhuǎn)刀具，還可以使用非回轉(zhuǎn)刀具和控制其回轉(zhuǎn)角度，所以對(duì)任何形狀都能加工，一般用非回轉(zhuǎn)刀具的加工有刨削和在XY平面上作平滑加工等方式。現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了一種可使用改進(jìn)后的刀具并形成一體化的6軸控制復(fù)合式新型加工中心。 

        5軸控制加工中心的加工特點(diǎn)  

        由于5軸加工中心的刀具可以對(duì)工件呈任意的姿勢(shì)進(jìn)行加工，所以可避免切削速度為零的現(xiàn)象，還可以選擇最適宜的刀具及相對(duì)于工件的姿態(tài)有效地進(jìn)行加工，以及對(duì)凹入的形狀用刀具傾斜的姿態(tài)進(jìn)行加工，這些都是有利于加工的條件。

        特別是用5軸控制加工時(shí)，為了避免具有兩根回轉(zhuǎn)軸的刀具與工件發(fā)生干涉，必須生成刀具路徑。但再生成NC數(shù)據(jù)是一件很麻煩的事�，F(xiàn)在開發(fā)了具有通用性的5軸控制軟件，即可以生成防止發(fā)生刀具與工件干涉的刀具路徑。這時(shí)以軟件實(shí)體模型為中心，使用防止發(fā)生干涉的算法即可版生成刀具路徑（即CL數(shù)據(jù)）。所生成的刀具路徑與5軸控制加工中心的結(jié)構(gòu)無關(guān)，是一種中性數(shù)據(jù)。此處理軟件稱為主處理程序。

         除此以外，還需設(shè)置能按照規(guī)定使用加工中心的結(jié)構(gòu)和組成，從已生成已生成的刀具路徑自動(dòng)生成NC數(shù)據(jù)的后處理器。如果按照原樣使用已生成的刀具路徑，就不可能使不同機(jī)械結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的5軸控制加工中心運(yùn)轉(zhuǎn)。為此必須采取各種措施將CL數(shù)據(jù)變換成適合于各種不同結(jié)構(gòu)加工中心的NC數(shù)據(jù)。

        5軸加工中心的主要結(jié)構(gòu)形式可按照工作臺(tái)上兩根回轉(zhuǎn)軸與一根主軸的各種設(shè)置方式分成3大類。。由于各軸的相對(duì)位置有多種多樣的結(jié)構(gòu)型式，因此也必須設(shè)置能適應(yīng)多種結(jié)構(gòu)型式的通用化后處理器。

        設(shè)置后處理器不僅是為了將防止發(fā)生干涉的刀具路徑變換成適合于不同結(jié)構(gòu)加工中心使用的NC數(shù)據(jù)，還為了能穩(wěn)定地改變進(jìn)給速度和使移動(dòng)路徑偏差最小的線性化功能。

        6軸控制加工中心的加工特點(diǎn) 

        有一點(diǎn)要注意的，是在使用回轉(zhuǎn)刀具進(jìn)不可能用6軸控制加工。但由于切削速度與進(jìn)給速度相等而具有加工效率高的特點(diǎn)，所以用5軸控制對(duì)一次裝夾的坯料也可以作多種加工。也正是由于切削速度與刀具進(jìn)給速度相當(dāng)，所以必須使用高剛性結(jié)構(gòu)的加工中心。精加工的切入量很小，只有幾個(gè)um，還要求機(jī)床具有很高的定位精度。

6軸控制特點(diǎn)如下： 

1、對(duì)平面和曲面作平滑加工：由于是用線接觸加工，所以在加工表面不殘留進(jìn)給痕。 

2、在平面和曲面上加工異形斷面的槽：即可以加工與刀具前進(jìn)方向成直角的槽，可以是非對(duì)稱的任何形狀。用回轉(zhuǎn)刀具則無法加工這種異形斷面槽。 

3、加工兩曲面交界處的特征線：這是用固定刀具與沿交線的面相接觸。條件下移動(dòng)刀具進(jìn)行刨削。用回轉(zhuǎn)刀具也無法加工這種特征線。 

4、隅角加工：由于回轉(zhuǎn)刀具是圓形的，所以無法形成隅角處的直角。用6軸控制可加工隅角。 

5、凹坑加工：可對(duì)由平面和曲面構(gòu)成凹坑的棱線進(jìn)行清晰地加工。這是特征線加工的擴(kuò)展。

         6軸控制與5軸控制一樣需要設(shè)置主處理器和后處理器。但由于這時(shí)刀具與工件之間的關(guān)系使6個(gè)自由度。為此更要設(shè)法防止發(fā)生干涉，一旦發(fā)生干涉就無法繼續(xù)加工。其后同樣要在已生成的CL數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上由后處理器按不同類型的6軸控制加工中心生成NC數(shù)據(jù)。

         發(fā)展趨向  

         用5軸控制加工的NURBS插補(bǔ)  

         由于對(duì)自由曲面進(jìn)行精加工的NC數(shù)據(jù)是以連續(xù)的微小線段組合來表達(dá)，所以復(fù)雜開頭的NC數(shù)據(jù)量非常龐大�，F(xiàn)在則因存儲(chǔ)器的價(jià)格便宜，所以可作大容量?jī)?chǔ)存，還可以與FA-LAN的DNC運(yùn)轉(zhuǎn)相結(jié)合高速傳送數(shù)據(jù)進(jìn)行加工。但在對(duì)于以高速加工為主的今天，NC數(shù)據(jù)的傳送速度總是跟不上刀具的進(jìn)給速度，從而使加工品質(zhì)下降。為此使用大量數(shù)據(jù)的5軸控制必須進(jìn)一步提高速度。

         現(xiàn)在已經(jīng)有用自由曲線對(duì)3維點(diǎn)群座進(jìn)行插補(bǔ)的表示形狀方法。用NURBS表示自由曲線則可為NC數(shù)據(jù)提供相當(dāng)多的信息，從而使數(shù)據(jù)量大幅度減少。另一方面，現(xiàn)在已經(jīng)開始將3軸控制的NURBS表達(dá)方式擴(kuò)展到5軸控制中，從而減少了5軸控制中，從而減少了NC數(shù)據(jù)的位置。  

          利用二次曲面頭立銑刀作5軸控制加工

          使用球頭立銑刀對(duì)自由曲面進(jìn)行精加工時(shí)，因用一把刀具加工面不需要調(diào)換刀具，所以也不會(huì)發(fā)生刀具嚙合問題，但必須選擇與加工面最大曲率半徑相適應(yīng)的小直徑球頭立銑刀。如果欲獲得由加工所形成的凹形高度很低的良好的加工面，就必須減少設(shè)定的進(jìn)給間距，從而嗇了切削距離和加工時(shí)間。解決這個(gè)問題的方式之一是使用稱為二次曲面頭立銑刀的特殊形狀刀具進(jìn)行5軸控制切削加工。

         所謂二次曲面頭立銑刀是一種以圓錐曲線圍繞中心軸回轉(zhuǎn)形成頭部形狀的銑刀。頭部形狀有回轉(zhuǎn)拋物面、回轉(zhuǎn)雙曲面和回轉(zhuǎn)橢圓面三種類型。在回轉(zhuǎn)面上帶有許多切刃，但它的切刃與球頭立銑刀不同，是帶有連續(xù)變化的各種曲率。它們的曲率可從各圓錐曲線公式求得。

         用這種銑刀切削時(shí)不像球頭立銑刀那樣只有一個(gè)曲率，而是可以選擇其中與加工面相吻合的曲率。命名如對(duì)加工面上曲率大的部分用銑刀頭部附近的切刃加工，曲率小的部分則可用銑刀側(cè)面的切刃進(jìn)行加工，這樣就有加大進(jìn)給間距，縮短加工時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。 

         可以自動(dòng)生成使用二次曲面頭立銑刀的5軸控制高效率加工自由曲面的CAM軟件，現(xiàn)已開發(fā)出來。伴有超聲波振動(dòng)的6軸控制加工。  

         在用常規(guī)條件對(duì)鋁等軟性金屬進(jìn)行6軸控制加工時(shí)，有表面粗糙度很有效期的缺點(diǎn)。現(xiàn)在有一種在刀具夾持器上安裝超聲波工具的方法進(jìn)行6軸控制加工，這樣不僅可使視在切削速度加快，還可以明顯地改善加工面的粗糙度，是可取的方法。