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1、第三章第三章 多轴加工应用技术研究多轴加工应用技术研究 一、多轴加工的理解一、多轴加工的理解 所谓多轴加工就是多坐标加工。 它与普通的二坐标平面轮廓加工和点位加工、 三坐标曲 面加工的本质区别就是增加了旋转运动，或者说多轴加工时刀轴的姿态角度不再是固定不 变，而是根据加工需要刀轴角度随时产生变化的。一般而言，当数控加工增加了旋转运动以 后， 刀心坐标位置计算或是刀尖点的坐标位置计算就会变得相对复杂。 多轴加工的情况可以 分为： 13 个直线轴同 12 个旋转轴的联动加工，这种加工被称为：4 轴联动或 5 轴联动加工； 212 个直线轴和 12 个旋转轴的联动加工； 33 个直线轴同 3 个旋转
2、轴的联动加工，用作这种加工的机床被称为并联虚轴机床。 4刀轴呈现一定的姿态角不变，三个直线轴作联动加工。这种加工被称为多轴定向加工。 下列所示的几种零件就是需要使用多轴加工的零件。 图 3-1 为单个叶片类零件。 这种零件虽 然也可以用三轴加工的方法加工，但是有些时候用多轴加工的效果和质量要优于三轴加工。 图 3-3 柱面槽零件 图 3-2 整体叶轮 图 3-1 单叶片零件 图 3-2 为整体叶轮零件。 这类零件的加工通常都是用五轴联动的方式加工出来的。 因为仅仅 用三轴联动的方式避免不了加工中产生的干涉问题。 图 3-3 为柱面槽或柱面凸轮类零件。 这 类零件的加工有时只需要一个直线轴和一个
3、旋转轴的联动加工就可以了。 二、多轴加工的目的 二、多轴加工的目的 （1）利用多轴机床可加工更加复杂形面 在没有多轴加工机床时， 加工复杂曲面通常是使用三轴数控铣床和球头铣刀加工， 为了 避免干涉， 有时还需要把一个零件分解为若干个零件分别加工。 但是如果利用多轴机床设备， 就可以加工三轴数控机床不能加工的复杂的曲面， 可以整体加工复杂零件， 并且使得定位夹 紧装置更为简单。利用多轴机床设备进行加工的零件有：某些模具形面、叶片形面以及整体 叶轮。 需要说明的是曲面的干涉情况有两种。 一种是自身干涉， 即某一直径的刀具加工某一曲 面时，刀具与这张面产生干涉。另一种是面间干涉。即在加工某一曲面时，
4、刀具干涉到了另 外一张曲面。 （2）利用多轴加工可以明显提高加工质量 1）利用 3 个直线轴联动加工曲面时，通常是采用球头刀加工。如图 3-4 所示，当球头 刀加工到很平缓的区域时，由于球尖处的半径非常小，所以那里的切削线速度几乎为零，那 时的切削状况基本上是刀具在挤压被切削材料而不是在做切削运动。 所以那个区域的已加工 表面质量很差，且加工效率很低。如果采用多轴加工方法，把球刀的刀轴倾斜一定的角度， 就可以使刀具与工件接触点的切削速度明显提高， 切削质量可以被改善， 切削效率也可提高。 球尖接触点的切削速度几乎为零 接触点的切削速度不为零 图 3-4 球头铣刀切削零件时的状态 2）多轴加工可
5、把点接触改为线接触从而提高加工质量 从理论上讲，球刀加工曲面时是一个球在曲面上滚动，实际上是一个点在曲面上运动， 由于球刀的球径不大，所以切削面积不大。通常加工曲面时采用行切的方式，一行接一行地 把曲面加工出来，加工后的表面会留下一行行的残留余量。为了使残留余量的高度减小，就 必须减小行距。因此为了把一张曲面加工出来，同时又要使表面粗糙度比较好，就要加密行 距才能得到比较好的效果。这样加工时间和成本就会增加。 众所周知，减小残留余量高度的另一方法是增加球刀的半径。如果把球刀换为立铣刀， 利用立铣刀的侧刃或端刃切削曲面， 就相当于使球刀的曲率半径无限大， 那么切削后残留余 量的高度就会大大减小。
6、 图 3-5 所示为球头铣刀和立铣刀铣削曲面时的区别。 图 3-6 所示即 用立铣刀的端刃切削曲面的实际情况。 然而用侧刃或端刃切削曲面的最大问题就是切削干涉 问题，为了避免干涉，就必须使用多轴加工。换言之，立铣刀侧刃切削或端刃切削是一条直 线在曲面上滚动而非一个点在曲面上移动， 其优点在于可以减小残留余量的高度， 可以加大 切削的行距，可以提高切削效率和切削质量。但是必须多轴联动才能加工出准确的曲面。 球刀的点接触 立铣刀侧刃的线接触 图 3-6 立铣刀端刃切削曲面 图 3-5 球头铣刀和立铣刀铣削曲面的区别 3)多轴联动加工可以提高变斜角平面的加工质量 变斜角平面零件在航空航天器中是最常见
7、的加工特征。 例如飞机机翼中的梁和肋、 直升 机的腹板、 火箭头部整流罩内侧的加强筋板等均有变斜角平面的特点。 如图 3-7 所示就是一 种变斜角零件。 图 3-7 变斜角平面零件 如果不用多轴机床加工此零件， 一个方法是采用分段加工， 即采用不同斜角的铣刀分别加工 这个零件，或者把零件分段倾斜角度地铣削，然后在衔接处人工修磨。另外的方法是三轴数 控加工，把变斜角平面当作曲面对待，利用球刀进行加工。这些加工方法要么是加工不精确 耗费人工，要么就是加工时间长，而表面质量又很差。 如果使用多轴数控铣床加工此零件， 那么就可以使用立铣刀的侧刃一次精加工出来。 在加工 时铣刀的轴线逐渐从 0倾斜到 3
8、10，或者反之。这样加工出的零件表面质量要比球刀 加工的表面质量好许多，精度也能保证，同时切削效率大大提高。 3)多轴联动加工可以提高叶片类零件前后缘的加工质量 某些叶片类零件既可以采用三轴加工也可采用多轴加工。 如果采用三轴加工， 那么加工 时只能加工完一面以后再加工反面。 这种加工方法带来的问题有两种不容易解决， 其一是变 形问题，其二是边缘不光顺的问题。零件变形是每种零件加工都会遇到的问题，只是叶片类 零件的变形更为突出明显。 如果在加工中一面一面地完成， 最后精加工时零件的支撑力就会 很小，零件的加工变形就会很严重。除非叶片的反面加上辅助支撑，或者采用小直径刀具高 速切削的方法来减小切
9、削力。 即使这样零件的变形现象依然存在， 而且也解决不了第二个问 题，就是边缘不光顺的问题。如图 3-8 所示，采用三轴加工时，刀具运行到边缘的最大点处 就必须折返，所以在折返点产生刀痕，使得边缘很不光顺，影响加工精度。叶片的前后缘越 薄，这种现象越明显。如果采用四轴加工，可以固定装夹叶片的榫头，而另一端可以用顶尖 支撑，形成一夹一顶的装夹方式，如图 3-9 所示。加工时采用刀具环绕零件连续加工，这种 加工方法可以从叶尖部逐渐加工到叶根部， 叶片零件的余量不是一次单边去除， 而是正反面 均匀去除多余材料，因而使零件的自身刚性提高，变形量减少。同时由于是刀具环绕零件加 工，使得切削时没有或很少折
10、返现象。前后缘的表面质量和光顺程度可大大提高。图 3-10 中所示是五轴数控机床铣削叶片的实际加工照片。 图 3-8 三轴铣削叶片示意图 图 3-9 四轴铣削叶片示意图 尾座 叶片 图 3-10 五轴铣削叶片 刀具 数控转台 （3）利用多轴加工可以明显提高加工效率 图 3-11 叶片曲面零件 如图 3-11 所示是一个叶片曲面零件。它的长和宽分别为 200mm 和 70mm。如果采用球刀 行切，行距为 0.5mm，按 1000mm/min 的进给速度切削，那么至少需要 140 行才能完成整个 曲面的加工。加工时间需要 28 分钟。但是如果采用多轴数控铣床并采用环面铣刀的宽行加 工，同样的残留高
11、度只用 10 行就可完成整个曲面的加工。按照同样的进给速度，切削时间 可以控制在 3 分钟之内。 图 3-12 是宽行加工叶片曲面的刀具轨迹。 图 3-13 为宽行加工的仿 真图形。 图 3-12 叶片曲面零件的加工轨迹 图 3-13 叶片曲面零件的加工仿真 多轴宽行加工的优势在于：充分利用切削速度；加大行距；效率高；表面质量好。目前 已经用于生产实际。图 3-14 是长度和宽度大约为 64 米的水轮机叶片。图 3-15 是利用大 直径面铣刀， 采用宽行加工的方法加工该叶片的情景。 宽行加工使得该叶片的加工效率大大 提高。虽然多轴宽行加工刀具轨迹计算相对复杂，然而随着技术的日益成熟，这项技术很
12、快 就会与其它生成刀具轨迹的方法一样高效而又便捷。 图 3-14 叶片曲面零件的加工轨迹 图 3-15 叶片曲面零件的加工轨迹 （4）在加工叶片方面三轴加工与多轴加工的比较 三轴加工叶片优点：编程简单、走刀路线比较好控制。缺点：单面加工易变形、叶片边 缘质量不好控制。 多轴加工叶片优点：叶片边缘质量好、环绕加工对控制变形有利、大型叶片可以采用端 刃切削提高效率、可使用大直径面铣刀加工、可应用宽行加工的方法、可改善接触点的切削 速度、可以减小刀具长度，提高刀具强度。缺点：编程复杂、装夹要求高、设备要求高 三、多轴加工的特点 三、多轴加工的特点 1编程相对复杂 不论是四轴编程还是五轴编程，相对两轴
13、轮廓编程和三轴曲面编程都比较复杂。复杂之 处在于多轴编程要考虑零件的旋转或者是刀轴的变化。以 UG 为例就有变轴铣、变轴顺序铣 等。每种铣削方式还有许多设置。不仅如此，多轴编程的后置处理也是相当重要并相对复杂 的一个环节。后置处理的参数设置要考虑机床运动关系、刀具的长度，机床的结构尺寸、工 装夹具的尺寸以及工件的安装位置等。 所以， 多轴编程和加工相对三轴的编程和加工要复杂 许多。 2工艺顺序与三轴不同 三轴的编程和加工的顺序是：CAD/CAM 建立零件模型生成刀具轨迹生成 NC 代码 装夹零件找正建立工件坐标系开始加工 五轴的编程和加工的顺序是： CAD/CAM 建立零件模型生成刀具轨迹装夹
14、零件找正 建立工件坐标系根据机床运动关系、刀具的长度，机床的结构尺寸、工装夹具的尺寸以 及工件的安装位置等设置后置处理的参数生成 NC 代码加工 例如三轴加工上述叶片曲面零件， 首先是用 CAD/CAM 建立叶片模型， 然后根据刀具直径 和加工要求生成刀具轨迹， 之后根据控制系统的指令格式设置后置处理的参数， 生成数控程 序代码， 最后把代码传输到所用的机床控制器中加工零件。 在这个过程中编程人员不一定需 要把零件装夹的位置数据、 刀具长度的数据、 机床结构的数据和机床的运动关系数据输入到 后置参数中。三轴加工的程序可以直接交给机床操作工使用。 但是多轴加工曲面零件就有所不同。 首先是用 CA
15、D/CAM 建立叶片模型， 然后根据刀具直 径和加工要求生成刀具轨迹，之后编程人员要详细记录零件装夹位置数据、刀具长度数据、 机床结构数据和机床的运动关系数据， 并把这些数据设置在后置处理模块的参数中。 最后才 能生成数控程序代码。 以 Mikron WF74CH 五轴加工中心为例，编程人员要了解机床的坐标轴方向、旋转轴的方 向、机床结构参数。如图 3-16 所示该机床是五轴双摆台的形式。工作台结构尺寸关系如图 3-17 所示。 图 3-16 五轴双摆台示意图 图 3-17 Mikron WF74CH 工作台结构尺寸 工作台 C 轴绕 Z 轴 360旋转。工作台 A 轴可绕 X 轴向前倾斜 4
16、5，向后倾斜 20。工作 台面距离 X 轴线 125mm，工作台旋转中心轴线距离 X 轴线 165mm。所以根据这些参数在 UG NX4.0 后置设置中就如图 3-18，图 3-19 所示。 Y向偏置165 Z向偏置-125 最小角度-20 最大角度45 图 3-18 机床零点（工作台中心点）到旋转轴（A 轴）中心线的参数设置 当编程人员把这些参数设置到后置模块中后， 还要考虑零件的装夹位置， 在建模时要把工件 坐标系的位置建立在工作台面的中心点处，之后才能生成数控加工程序代码。 图 3-20 是双摆头机床的 B 轴和 C 轴示意图。 如图 3-21 所示是北京机电院的立式四轴加 工中心的立铣头简图。 如果要进行多轴加工， 编程人员就要知道 B 轴轴线距离主轴端面的距 离，从而得知刀尖点距离 B 轴轴线的距离，以及立铣头左右摆动的角度。 Y向偏置-165 Z向偏置125 最小角度-359.999 最大角度359.999 图 3-19 第四轴（A 轴）中心线到第五轴（C 轴）中心线的参数设置 图 3-20 双摆头机床 B
