多轴加工技术论文

《多轴加工技术论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多轴加工技术论文（7页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、多轴加工技术论文课程：数控编程技术及应用姓名：班级：学号：多轴加工技术通常所说的多轴数控加工是指4轴以上的数控加工，其中具有代表性的是5轴数控加工。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、镗、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。随着模具制造技术的迅速发展，对加工中心的加工能力和加工效率提出了更高的要求，因此多轴数控加工技术得到了空前的发展。对刀具和工件的相对位置来说，多轴数控加工中心可以设置6个轴，即作直线运动的X、Y、Z轴，还有控制工作台倾斜角度的A、B轴和控

2、制主轴回转角度的C轴。使用回转刀具时，由Z轴控制回转的主轴作直线运动，就成为5轴控制；只有使用非回转刀具时可作6轴控制。通常为了提高加工效率而使用回转刀具，但有时因受到回转刀具的限制，存在不可能加工的部位和形状，因此，现在不仅可以使用回转刀具，还可以使用非回转刀具，控制其回转角度，对任何形状的模具零件都能加工。1 多轴数控加工的类型加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心。三轴立式加工中心最有效的加工面仅为工件的顶面，卧式加工中心借助回转工作台，也只能完成工件的四面加工。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

3、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：（1）工作台回转轴。工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴的一般工作范围是+30。至一120。工作台的中间还设有一个回转台，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间曲面。这种设置方式的多轴数控加工机床的优点是

4、：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

5、量，这是工作台回转式加工中心难以做到的。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、车间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。工件越复杂，它相对传统工序分

6、散的生产方法的优势就越明显。同时由于生产过程链的缩短，在制品数量必然减少，可以简化生产管理，从而降低了生产运作和管理的成本。（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。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。刀具轴线的控制原则是兼顾高

7、的加工质量和切削效率，同时避免加工中存在的刀具与工件、夹具的干涉。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。常见的刀具轴线控制方式有：垂直于加工表面，平行于加工表面，倾斜于加工表面。倾斜方式是5轴加工的一般控制方法，垂直于加工表面和平行于加工表面均为其特殊形式。复杂曲面加工过程中往往通过改变倾斜角度来避免刀具、工件、夹具、机床间的干涉和优化数控程序。多轴数控加工编程的一般步骤是：（1）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

8、迹的要素为刀位轨迹的长短和方向的变化。（2）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。（3）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。多轴数控编程技术是一个数字化仿真评价及优化的过程，其关键技术包括：复杂形状零件的三维造型及定位；多轴联动刀位轨迹规划和计算；加工雕塑曲面体的刀轴控制技术；

9、切削仿真及干涉检验以及后处理技术等。多轴数控加工技术的现状（1）国外多轴数控加工技术的现状。国外多轴数控加工技术研究比较早，德国、西班牙、瑞士、日本、意大利等国家以及我国的台湾地区已经形成了自己在国际上的知名品牌，如德国DMG、瑞士米克朗、台湾匠泽、西班牙PANTERA等等。德国DMG5轴联动立式加工中心共有14种机型，采用直线电机驱动技术、主轴摆动和回转工作台摆动，可以胜任从5面加工到5轴联动加工的各种工作，优质高效。数控回转摆动工作台可在围绕工件重心旋转工件的同时允许进行最大摆角达18的底部切削，经过一次装夹即可完成工件的加工。西班牙PANTERA动梁式龙门加工中心。采用高架床身及移动梁高

10、强度、高刚性的结构。高速精密电主轴结合了5轴联动加工方面的丰富经验和技术决窍，动态加工特性和精度表现良好。钢质床身内部特别设计的筋架结构保证了高速切削的稳定性，并根据需求可选择双移动梁式结构。可以根据加工需求，配备各种铣头和配置，适用于航空航天结构件和大型模具的高精密加工。台湾匠泽U系列5轴联动高速龙门加工中心。具有高速、龙门架结构、5轴联动的特点，主要有U25、U40、Useries3个规格，其中Useries最高主轴转速达20,000转/min，带A轴和C轴两个辅助轴，A轴旋转角度为-95至+110,C轴旋转角度为270。意大利ARES系列桥式高速5轴轻切削龙门加工中心采用高刚性桥式结构，

11、龙门电气双驱、高动态特性，模块化设计，高功率高转速，适合于任何非金属材料的三维轮廓型面的高速、高精度5轴加工。该机床产品的标准规格系列化、多样性配置，使该机床适用于航空航天、汽车模具模型制造、造船等行业。（2）国内多轴数控加工技术的现状。从1999年开始，在中国国际机床展览会（简称CIMT）、中国数控机床展览会（简称CCMT）等国内机床展览会上，国内的多轴数控机床产品纷纷亮相。随后国际机床巨头纷至沓来，多轴数控机床的品种和数量逐年上升。在CCMT2000展览会上分别推出了3台国产5轴联动机床；在CIMT2001展览会上，北京第一机床厂和桂林机床股份有限公司分别展出了主轴转速10,000转/Mi

12、n的5轴高速龙门加工中心，北京市机电研究院展出了主轴转速15,000转/Min的5轴高速立式加工中心；清华大学与昆明机床股份有限公司联合研制的XNZ63,采用标准StewarT平台结构，可实现6个自由度联动；大连机床厂自行研制的串并联机床DCB-510,其数控系统由清华大学开发，该机床通过并联机构实现X、Y、Z轴直线运动，由串联机构实现A、C轴旋转运动，从而实现5轴联动，其直线快速进给速度可达80m/mino国产数控系统企业与国内主机厂配套研制生产全国产化的中、高档数控机床，代表了我国制造装备自主化的主流方向。在CCMT2008展会上，国产数控系统企业首次展示了配置国产中、高档数控系统的全国产

13、化数控机床，如沈阳第一机床厂展出了首台应用国产5轴数控系统的车铣复合加工中心HTM63150iy,它是面向航空航天、国防工业领域开发的一款机床，与国内、外同类型机床比较，具有精度高、性能全、产品质量优异、价格低等特点。中国利用自主研制的高、精、尖产品参与国际竞争，打破了国际技术的垄断，但我国多轴数控加工技术及其设备在各工业部门中的整体应用水平仍然偏低，与工业发达国家相比差距很大，迫切需要进一步大力发展多轴数控加工技术。2 实现多轴数控加工技术的难点人们早已认识到多轴数控加工技术的优越性和重要性，但到目前为止，多轴数控加工技术的应用仍然局限于少数资金雄厚的部门，并且仍然存在尚未解决的难题。多轴数

14、控加工由于干涉和刀具在加工空间的位置控制，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、刀具旋转运动计算等，处理的信息量很大，数控编程极其抽象。多轴数控加工的操作和编程技能密切相关，如果用户为机床增添了特殊功能，则编

15、程和操作会更复杂。只有反复实践，编程及操作人员才能掌握必备的知识和技能。经验丰富的编程与操作人员的缺乏，是多轴数控加工技术普及的一大阻力。（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。对这个问题的最终解决方案，有赖于新一代CNC控制系统，该

16、系统能够识别通用格式的工件模型文件（如STEP等）或CAD系统文件。（3）购置机床需要大量投资。多轴数控加工机床和3轴数控加工机床之间的价格悬殊很大。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。3 展望及发展趋势多轴数控加工技术正朝着高速、高精、复合、柔性和多功能方向发展，努力达到高质量、高效率的目标。我国多轴数控加工技术研究起步较晚，与发达国家的技术水平还有很大的差距。目前，多轴数控加工中心的关键部件如5轴头、数控系统、电动机，国内企业多采用进口，价格高，成本居高不

17、下。为此，只有自力更生实现自主研发突破关键技术，坚持走技术发展的道路，才能提高企业的利润空间。面对国外先进多轴数控加工机床的竞争，国内多轴数控加工机床生产企业需要采取如下积极的应对策略：（1）完善产品，提高质量。不断推出新品，靠机床质量的不断提高及机床档次的不断提升，来提升机床价格的空间。优化产品结构，提高产品竞争力，尽全力为用户提供个性化机床，提供最优工艺方案，为用户提供完善的售前售后服务。（2）价格策略。高端机床价格并不是主导因素，精湛的技术、强大的生产能力和过硬的服务才是根本。在重大项目招标中，视竞争对手具体情况可采取灵活的价格策略，以最大限度抢占市场份额。（3）提高品牌认知度。据调查，

18、国内用户对国外机床的品牌认知度高达60%，对国产数控机床的认知还停留在普通设备及3轴中档次水平，对国产设备普遍存在使用不放心，特别是对多轴大规格机床的精度、承重等指标信心不足，对多轴机床控制及后置处理有些忧虑。当务之急是通过各种形式推进转变用户观念，让用户对国产高档机床充满信心。国内企业不仅有能力生产高端机床，而且有能力不断提高产品质量，提供周到的售前售后个性化服务。五轴车铣复合加工中心从产生至今，已有近20年的历史，技术已经成熟并被国内外用户接收和认可。从趋势上看，主要向以下几个方向发展：（1）更高工艺范围。通过增加特殊功能模块，实现更多工序集成。例如将齿轮加工、内外磨削加工、深孔加工、型腔

19、加工、激光淬火、在线测量等功能集成到车铣中心上，真正做到所有复杂零件的完整加工。（2）更高效率。通过配置双动力头、双主轴、双刀架等功能，实现多刀同时加工，提高加工效率。（3）大型化。由于大型零件一般多是结构复杂、要求加工的部位和工序较多、安装定位也较费时费事的零件，而车铣复合加工的主要优点之一是减少零件在多工序和多工艺加工过程中的多次重新安装调整和夹紧时间，所以采用车铣中心进行复合加工比较有利。所以目前五轴车铣复合加工中心正向大型化发展。例如沈阳机床的HTM125系列五轴车铣中心，回转直径达到1250mm,加工长度可以达到10000mm,非常适合大型船用柴油机曲轴的车铣加工。（4）结构模块化和功能可快速重组。五轴车铣中心的功能可快速重组是其能快速响应市场需求，并能抢占市场的重要条件，而结构模块化是五轴车铣中心功能可快速重组的基础。一些技术先进的厂家（如德国DMG、奥地利的WFL、日本的MAZAK公司等）的许多产品都已实现结构模块化设计，并正在向如何实现功能快速重组的方面努力。