五軸加工的特點(diǎn)及其應(yīng)用技術(shù)分析

五軸加工的基本特點(diǎn) 
　　隨著航空航天飛行器、汽車和軌道車輛等向高速、節(jié)能和安全性方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)趨向整體化、薄壁化和輕量化，其形狀遵循動力學(xué)的要求日漸流線異型化和精密化，從而使不少關(guān)鍵零件呈現(xiàn)出復(fù)雜多面體和高次曲面的形態(tài)，應(yīng)用三個直線軸的數(shù)控機(jī)床難于獲得理想的加工精度和表面質(zhì)量。促使對五軸加工技術(shù)需求的增長，近年又進(jìn)而推進(jìn)復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)對復(fù)雜零件的高效、精密加工。 
　　五軸加工是五面加工技術(shù)和五軸聯(lián)動加工技術(shù)的概括簡稱。 
　　五面加工技術(shù)用于復(fù)雜多面體零件在一次裝卡條件下，通過增設(shè)的機(jī)床回轉(zhuǎn)軸可以方便地完成除安裝基面外所有平面的銑、鉆、鏜等加工；不僅如此，而且在加工斜面時，通過刀具或工件的回轉(zhuǎn)，可以使刀具更好地接近加工表面，縮短刀具伸出長度，有利于提高切削能力和刀具壽命；此外還能解決依靠直線軸運(yùn)動無法解決的內(nèi)凹表面的加工。 
　　五面加工另一個特點(diǎn)是回轉(zhuǎn)軸只作分度定位，并不參與切削軌跡插補(bǔ)運(yùn)動。如V形發(fā)動機(jī)缸體，應(yīng)用有A/B軸雙擺工作臺的臥式加工中心，A軸擺動可完成V形斜面和缸孔的加工，再用B軸轉(zhuǎn)位就能完成曲軸軸承孔及其止推面等加工。 
　　五軸聯(lián)動加工技術(shù)是指一個復(fù)雜形狀的表面需要用5個獨(dú)立軸共同進(jìn)行數(shù)控插補(bǔ)運(yùn)動才能獲得光順平滑形面的加工技術(shù)。雖然從理論上講任何復(fù)雜表面都可用X、Y、Z三軸坐標(biāo)來表述，但實際加工刀具并不是一個點(diǎn)，而是有一定尺寸的實體，為了避免對空間扭曲面加工時出現(xiàn)刀具與加工面間的干涉以及保證曲面各點(diǎn)的切削條件的一致性，需要調(diào)整刀具軸線與曲面法矢間在2D方向上的夾角。五軸聯(lián)動與三軸聯(lián)動相比能加工誤差與表面粗糙度減少至1/3~1/6。 
　　五軸聯(lián)動加工的軸數(shù)是指加工同一表面時所需獨(dú)立運(yùn)動的軸的數(shù)量，而非指該數(shù)控?fù)碛械目煽刂戚S的數(shù)量。例如龍門銑床為保證橫梁升降的平行性，需要左右兩根驅(qū)軸W1、W2同步運(yùn)動，也就是以W1為主動軸，而使W2軸與之保持同步。因此，它們只能作為1根獨(dú)立運(yùn)動軸。另外如果復(fù)雜雕塑表面具有回轉(zhuǎn)體特征的話，不需要Y軸運(yùn)動，可以在數(shù)控車床或車削中心上實現(xiàn)，其最多聯(lián)動軸數(shù)大多為四個獨(dú)立軸。 
　　五軸加工技術(shù)及其機(jī)床 
　　1.五軸加工機(jī)床的特征及選用 
　　無論是五面加工機(jī)床還是五軸聯(lián)動加工機(jī)床，它們都是在X、Y、Z三個直線運(yùn)動軸的基礎(chǔ)上至少增加A、B、C三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動軸中任兩個回轉(zhuǎn)軸，由此導(dǎo)出多樣的五軸加工機(jī)床的布局方案。針對加工件的形狀、尺寸、重量、要求精度、材料的機(jī)械性能和切削載荷等因素，可以確定適用的機(jī)床結(jié)構(gòu)布局。

　　
　　表1中列出基于立式加工中心和臥式加工中心三直線軸結(jié)構(gòu)布局基礎(chǔ)上配置不同的回轉(zhuǎn)運(yùn)動型式所得出的常見10種布局及其適用的應(yīng)用場合。表中回轉(zhuǎn)軸型式有兩類：分列式表示刀具與工件分別有一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動軸，而一體式則表示兩個回轉(zhuǎn)軸均配置給刀具或工件，即常稱之雙擺銑頭或雙擺轉(zhuǎn)臺。 
　　表中序號6有A/C和B/C兩種雙擺轉(zhuǎn)臺雖然工作原理相同，但A/C轉(zhuǎn)臺有可左右支承剛性較大，但當(dāng)臺面向后轉(zhuǎn)時，由于空間狹窄為防止干涉一般擺角較小，而B/C轉(zhuǎn)臺通常為單臂支承剛性較小，但擺角范圍大，易觀察，適宜小型零件的加工。 
　　顯然，回轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)對五軸加工中心機(jī)床的功能和性能有重要的作用，近年來它的結(jié)構(gòu)發(fā)展主要有以下四方面： 
　　(1)采用力矩電機(jī)驅(qū)動，減少機(jī)械傳動提高動態(tài)性能，如CYTE公司的CyMill萬能銑頭； 
　　(2)發(fā)展A/B/C三軸擺動銑頭，使角度變換更靈活、快速，如德國Zimmermann公司的M3A/B/C三軸擺角銑頭； 
　　(3)研發(fā)緊湊型A/B雙擺銑頭，如意大利RAMBAUD1公司DTH型A/B雙擺銑頭的擺角增長至45°。此外我國齊二機(jī)床公司開發(fā)的適用于臥軸的A/B的擺角的并聯(lián)桿機(jī)構(gòu)銑頭，具有新穎性，但擺角范圍較小。 
　　(4)應(yīng)用45°斜面回轉(zhuǎn)使軸線立臥轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)，一般稱作為B軸，由于回轉(zhuǎn)結(jié)合面大，可提高剛度和制動力矩，但斜面回轉(zhuǎn)180°時，軸線擺角僅為90°，因此擺角范圍較小，更適用于以五面加工為主的場合。 
　　2．加工傾斜多面體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù) 
　　不同的多面體零件由于其結(jié)構(gòu)和功能的不同，會對其斜面的空間位置有多種的定義方法，因此要求數(shù)控系統(tǒng)配置完善的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換應(yīng)用軟件以方便使用。 
　　坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的基本原理是把機(jī)床坐標(biāo)系X、Y、Z轉(zhuǎn)換為特征坐標(biāo)系Xc、Yc、Zc，而特征坐標(biāo)系的XcYc平面即包含該斜面，則刀具軸Z通過擺動至Zc，即可對斜面進(jìn)行銑削和鉆孔等加工。 
　　功能完善的斜面加工的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件，可以根據(jù)輸入不同的斜面參數(shù)如：斜面空間傾擺角、斜面方向矢量、斜面投影角或斜面上三個特征點(diǎn)等的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在工件一次安裝條件下，對多面體的各個斜面進(jìn)行坐標(biāo)自動轉(zhuǎn)換，既簡化編程，又能在工件一次安裝下連續(xù)加工各個斜面，提高了效率和加工精度。 
　　3．復(fù)雜曲面的精密光順加工技術(shù) 
　　雕塑型面、非球曲面和液體動力3D曲面等具有曲率不斷變化甚至出現(xiàn)陡變的特征，因此在數(shù)控加工時不僅存在伺服驅(qū)動的運(yùn)動軌跡的跟蹤誤差，而且還因曲率的變動出現(xiàn)運(yùn)動躍度劇變和刀刃與已加工表面的干涉現(xiàn)象，使軌跡銜接處達(dá)不到光順。而隨著航空航天、激光核聚變、遙感成像和大規(guī)模集成電路等發(fā)展要求光學(xué)器件的形狀誤差0.05m，表面粗糙度的最大輪廓高度Ry3nm。 
　　面對這些需求，不僅要求提高五軸聯(lián)動加工裝備的制造精度，而且還需發(fā)展多種誤差補(bǔ)償技術(shù)。20世紀(jì)80年代FIDIA公司在其數(shù)控系統(tǒng)中配置了RTCP軟件。用以修正刀具回轉(zhuǎn)運(yùn)動引起的附加線性位移，但是它僅是對刀尖的空間位置作靜態(tài)調(diào)整，還不能精確補(bǔ)償運(yùn)動過程的動態(tài)誤差，因此近10年來Heidenhain、Siemens和FANUC等公司不斷深化研究五軸聯(lián)動加工的補(bǔ)償軟件，用以減少插補(bǔ)過程因回轉(zhuǎn)姿態(tài)引起的耦合誤差，避免刀刃部的干涉及抑制回轉(zhuǎn)運(yùn)動的加加速度引起振動等，從而可使在較高進(jìn)給速度下可使刀端運(yùn)動軌跡達(dá)到理想平滑的效果。