多軸控制的高速加工中心

以往對飛機(jī)、渦輪機(jī)、水輪機(jī)和各類模具中具有高附加價值的復(fù)雜形狀零部個，都采用多道工序和多臺機(jī)床進(jìn)行加工。這樣有僅加工周期長，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。牌價推出加工中心之后，在一次裝夾中可以對坯料的五個面進(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。

       對刀具和工件的相對位置來說，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、左右或上下移動的X、Y、Z的3根軸，還有控制工作臺傾斜角度的B軸和控制主軸回轉(zhuǎn)角度的C軸。使用回轉(zhuǎn)刀具時，則由Z軸控制回轉(zhuǎn)的主軸作上下或前后移動，就成為5軸控制。只有使用非回轉(zhuǎn)刀具時可作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工件呈任意的姿勢進(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于工件的姿態(tài)有效地進(jìn)行加工，以及對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，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。但由于這時刀具與工件之間的關(guān)系使6個自由度。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)在則因存儲器的價格便宜，所以可作大容量儲存，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

          使用球頭立銑刀對自由曲面進(jìn)行精加工時，因用一把刀具加工面不需要調(diào)換刀具，所以也不會發(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間。解決這個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。

         用這種銑刀切削時不像球頭立銑刀那樣只有一個曲率，而是可以選擇其中與加工面相吻合的曲率。命名如對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，縮短加工時間的優(yōu)點(diǎn)。 

         可以自動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。伴有超聲波振動的6軸控制加工。  

         在用常規(guī)條件對鋁等軟性金屬進(jìn)行6軸控制加工時，有表面粗糙度很有效期的缺點(diǎn)�，F(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。