五軸加工的特點及其應用技術分析

五軸加工的基本特點 
　　隨著航空航天飛行器、汽車和軌道車輛等向高速、節能和安全性方向發展，其結構趨向整體化、薄壁化和輕量化，其形狀遵循動力學的要求日漸流線異型化和精密化，從而使不少關鍵零件呈現出復雜多面體和高次曲面的形態，應用三個直線軸的數控機床難于獲得理想的加工精度和表面質量。促使對五軸加工技術需求的增長，近年又進而推進復合加工技術的發展，實現對復雜零件的高效、精密加工。 
　　五軸加工是五面加工技術和五軸聯動加工技術的概括簡稱。 
　　五面加工技術用于復雜多面體零件在一次裝卡條件下，通過增設的機床回轉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，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動無法解決的內凹表面的加工。 
　　五面加工另一個特點是回轉軸只作分度定位，并不參與切削軌跡插補運動。如V形發動機缸體，應用有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軸轉位就能完成曲軸軸承孔及其止推面等加工。 
　　五軸聯動加工技術是指一個復雜形狀的表面需要用5個獨立軸共同進行數控插補運動才能獲得光順平滑形面的加工技術。雖然從理論上講任何復雜表面都可用X、Y、Z三軸坐標來表述，但實際加工刀具并不是一個點，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刀具與加工面間的干涉以及保證曲面各點的切削條件的一致性，需要調整刀具軸線與曲面法矢間在2D方向上的夾角。五軸聯動與三軸聯動相比能加工誤差與表面粗糙度減少至1/3~1/6。 
　　五軸聯動加工的軸數是指加工同一表面時所需獨立運動的軸的數量，而非指該數控擁有的可控制軸的數量。例如龍門銑床為保證橫梁升降的平行性，需要左右兩根驅軸W1、W2同步運動，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根獨立運動軸。另外如果復雜雕塑表面具有回轉體特征的話，不需要Y軸運動，可以在數控車床或車削中心上實現，其最多聯動軸數大多為四個獨立軸。 
　　五軸加工技術及其機床 
　　1.五軸加工機床的特征及選用 
　　無論是五面加工機床還是五軸聯動加工機床，它們都是在X、Y、Z三個直線運動軸的基礎上至少增加A、B、C三個回轉運動軸中任兩個回轉軸，由此導出多樣的五軸加工機床的布局方案。針對加工件的形狀、尺寸、重量、要求精度、材料的機械性能和切削載荷等因素，可以確定適用的機床結構布局。

　　
　　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構布局基礎上配置不同的回轉運動型式所得出的常見10種布局及其適用的應用場合。表中回轉軸型式有兩類：分列式表示刀具與工件分別有一個回轉運動軸，而一體式則表示兩個回轉軸均配置給刀具或工件，即常稱之雙擺銑頭或雙擺轉臺。 
　　表中序號6有A/C和B/C兩種雙擺轉臺雖然工作原理相同，但A/C轉臺有可左右支承剛性較大，但當臺面向后轉時，由于空間狹窄為防止干涉一般擺角較小，而B/C轉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，回轉軸結構對五軸加工中心機床的功能和性能有重要的作用，近年來它的結構發展主要有以下四方面： 
　　(1)采用力矩電機驅動，減少機械傳動提高動態性能，如CYTE公司的CyMill萬能銑頭； 
　　(2)發展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°。此外我國齊二機床公司開發的適用于臥軸的A/B的擺角的并聯桿機構銑頭，具有新穎性，但擺角范圍較小。 
　　(4)應用45°斜面回轉使軸線立臥轉換的結構，一般稱作為B軸，由于回轉結合面大，可提高剛度和制動力矩，但斜面回轉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轉換技術 
　　不同的多面體零件由于其結構和功能的不同，會對其斜面的空間位置有多種的定義方法，因此要求數控系統配置完善的坐標轉換應用軟件以方便使用。 
　　坐標轉換的基本原理是把機床坐標系X、Y、Z轉換為特征坐標系Xc、Yc、Zc，而特征坐標系的XcYc平面即包含該斜面，則刀具軸Z通過擺動至Zc，即可對斜面進行銑削和鉆孔等加工。 
　　功能完善的斜面加工的坐標轉換軟件，可以根據輸入不同的斜面參數如：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等的數據，實現在工件一次安裝條件下，對多面體的各個斜面進行坐標自動轉換，既簡化編程，又能在工件一次安裝下連續加工各個斜面，提高了效率和加工精度。 
　　3．復雜曲面的精密光順加工技術 
　　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陡變的特征，因此在數控加工時不僅存在伺服驅動的運動軌跡的跟蹤誤差，而且還因曲率的變動出現運動躍度劇變和刀刃與已加工表面的干涉現象，使軌跡銜接處達不到光順。而隨著航空航天、激光核聚變、遙感成像和大規模集成電路等發展要求光學器件的形狀誤差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動加工裝備的制造精度，而且還需發展多種誤差補償技術。20世紀80年代FIDIA公司在其數控系統中配置了RTCP軟件。用以修正刀具回轉運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調整，還不能精確補償運動過程的動態誤差，因此近10年來Heidenhain、Siemens和FANUC等公司不斷深化研究五軸聯動加工的補償軟件，用以減少插補過程因回轉姿態引起的耦合誤差，避免刀刃部的干涉及抑制回轉運動的加加速度引起振動等，從而可使在較高進給速度下可使刀端運動軌跡達到理想平滑的效果。