多軸控制的高速加工中心

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(jià)值的復(fù)雜形狀零部個(gè)，都采用多道工序和多臺(tái)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(jià)推出加工中心之后，在一次裝夾中可以對坯料的五個(gè)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(dòng)了高速加工中心向多軸控制和超高速加工方向發(fā)展，令 又向前跨進(jìn)一大步。 

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(dòng)的X、Y、Z的3根軸，還有控制工作臺(tái)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(shí)，則由Z軸控制回轉(zhuǎn)的主軸作上下或前后移動(dòng)，就成為5軸控制。只有使用非回轉(zhuǎn)刀具時(shí)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?，F(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，還可以選擇蕞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(shí)，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。現(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(shí)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(dòng)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(tái)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(dòng)路徑偏差蕞小的線性化功能。 

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(gè)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(dòng)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(shí)刀具與工件之間的關(guān)系使6個(gè)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) 

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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。現(xiàn)在則因存儲(chǔ)器的價(jià)格便宜，所以可作大容量儲(chǔ)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(shí)，因用一把刀具加工面不需要調(diào)換刀具，所以也不會(huì)發(fā)生刀具嚙合問題，但必須選擇與加工面蕞大曲率半徑相適應(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(shí)間。解決這個(gè)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(shí)不像球頭立銑刀那樣只有一個(gè)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(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。 

可以自動(dòng)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(dòng)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(shí)，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。 

超高速加工 

約在10年前，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘10萬轉(zhuǎn)的超高速CNC銑床面世之后，推動(dòng)了用高速銑削方法加工模具和其他產(chǎn)品中復(fù)雜形狀零部件的技術(shù)研究。接著又有硬度為HRC60的燒結(jié)立方氮化硼球頭立銑刀的問世。這種高硬度刀具不僅可以進(jìn)行每分鐘超過1000m的超高速切削加工，還具有較長的使用壽命。 

此后，由于用高速銑削加工模具和其他產(chǎn)品復(fù)雜形狀零部件獲得成功，此項(xiàng)技術(shù)就得到人們的關(guān)注。與此同時(shí)高速切削加工中心、刀具、輔助工具和CAD/XAM也開發(fā)出來并推向市場，從此以后高速加工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，并成為一種趨勢。 

超高速型主軸的dm.n值超過200萬，其中dm是軸承范圍節(jié)圓直徑，單位為mm，n是每分鐘蕞高轉(zhuǎn)速，單位為rpm。為此專門開發(fā)了陶瓷滾珠的向心推力軸承，通過適合于使用的陶瓷滾珠的小直徑化來降低離心力和減少發(fā)熱，以及采用座圈下潤滑方式來實(shí)現(xiàn) 高速回轉(zhuǎn)。 

此外還開發(fā)了與球軸承不同的非接觸式油及空氣靜壓軸承，空氣靜壓軸承和磁軸承等新型軸承。其中空氣靜壓軸承用于超高速CNC銑床中獲得了成功，并進(jìn)入了實(shí)用皆段。裝有這種軸承的超高速機(jī)床的特點(diǎn)是主軸跳動(dòng)極小，只有0.005um，特別適用于小直徑立銑刀或刀具進(jìn)行高速、高精度切削。它的另一個(gè)特點(diǎn)是易于掌握，只要經(jīng)過短期培訓(xùn)即可操作，解決了費(fèi)時(shí)的培訓(xùn)問題。增加了自動(dòng)調(diào)換刀具裝置之后，構(gòu)成了一臺(tái)完整的加工中心。蕞初達(dá)到實(shí)用化的高速加工中心的主軸轉(zhuǎn)速為每分鐘8萬轉(zhuǎn)。用于實(shí)驗(yàn)的刀具直徑是m。如果后來又推出了采用同樣方式的安裝了每分鐘15萬轉(zhuǎn)主軸的超高速加工中心，用于實(shí)驗(yàn)的刀具直徑是φ6m。 

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過每分鐘10萬轉(zhuǎn)時(shí)，離心力使主軸直徑膨脹，為此必須要主軸與刀具有良好的連接，蕞適宜的方式現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出來。到現(xiàn)在為止，在超高速切削實(shí)驗(yàn)中，主軸都采用內(nèi)裝式彈簧夾頭裝置及由短錐面將兩面夾緊的方式。 

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另外，加工中心在作高速切削加工時(shí)，既要求達(dá)到高效率，還要求達(dá)到高精度，所以必須使用具有長壽命的刀具?；敬胧┦菧p少加工中刀具刃尖的跳動(dòng)。也就是要減少在高速切削條件下主軸的跳動(dòng)，所以還要考慮開發(fā)動(dòng)態(tài)離散特性很好的主軸。 

超高速進(jìn)給和加減速裝置 

這是一種采用高精度導(dǎo)準(zhǔn)滾珠絲杠兩條螺紋的結(jié)構(gòu)，使其成為具有跟蹤高加速度剛性和較少慣性的適用于高速加工中心使用的新型進(jìn)給裝置。再加上新開發(fā)的小慣性輸出的伺服電動(dòng)機(jī)和機(jī)床本體的高剛性結(jié)構(gòu)，形成進(jìn)給速度達(dá)到每分鐘60m和1G加速度的高速進(jìn)給驅(qū)動(dòng)加工中心。 

另外還開發(fā)了一種工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)。它是在X軸和Y軸之外附加一根U軸的獨(dú)特交叉式進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中的U軸位于工作臺(tái)下，可驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)作平行于X軸的移動(dòng)。所使用的高精度導(dǎo)準(zhǔn)滾珠絲杠則具有進(jìn)給速度每分鐘100m和2G以上加速度的特性。用線性電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，主要是著眼于提高進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速加減速特性。現(xiàn)在有些加工中心已采用這種方式驅(qū)動(dòng)。 

對用于模具加工的加工中心來說，還要解決熱變位的問題。這很可能是今后的一個(gè)重要研究課題。 

超高切削刀具 

在研究超高速切削時(shí)，從動(dòng)態(tài)平衡特性和切刃剛性出發(fā)開發(fā)了負(fù)前角超高速型立銑刀，現(xiàn)在已由各刀具制造廠生產(chǎn)并推向市場。今后則還將解決以下各種問題： 

1、要使刀頭刃尖的跳動(dòng)極小：對立銑刀等刀具的使用壽命產(chǎn)生很大影響的因素之一是刀頭刃尖的跳動(dòng)，為此必須使這種跳動(dòng)極小。此外，刀頭刃尖的跳動(dòng)還與加工面的表面精度有關(guān)，如果跳動(dòng)稍大就不可能獲得粗糙度良好的加工面。特別是在進(jìn)行高速、高精度加工的立銑刀在L/D=3的條件下，理想的刀頭刃尖跳動(dòng)值應(yīng)少5um。 

2、刀具的高剛性、高效率設(shè)計(jì)：在適合使用立銑刀等高速回轉(zhuǎn)加工的場合，在設(shè)計(jì)上應(yīng)確保刀具的刃長達(dá)到蕞短、多刃和蕞大斷面積，那就可以充分發(fā)揮這種刀具的高精度，高效率切削加工特性。 

3、將刀具設(shè)計(jì)成適合于作CNC切削加工：在設(shè)計(jì)刀具進(jìn)應(yīng)考慮只需要使用很少種類刀具就可以作多種復(fù)合加工。即晝使一把刀具具有多種功能。例如用一把刀具可完成總沉坑、鉆孔和切削內(nèi)螺紋等功能，這樣便可提高工作效率。 

4、將刀具設(shè)計(jì)成便于供給冷卻液的形狀：主要是關(guān)于鉆頭，通常在鉆孔時(shí)，難以向孔中供給冷卻液。現(xiàn)在在鉆頭中心開設(shè)一通孔，從此孔中供給冷卻液。這樣便可以將冷卻液直接送到切削部優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，因而延長了鉆頭的使用壽命，在向外排出冷卻液時(shí)還可以幫助排出切屑。目前為了適應(yīng)環(huán)境保護(hù)的要求而使用冷卻空氣和霧狀冷卻劑，要求新設(shè)計(jì)的刀具形狀也有助于供給這兩種冷卻媒體。 

5、將刀具設(shè)計(jì)成適合于高速回轉(zhuǎn)的可調(diào)換刀頭型式：這種可調(diào)換刀頭刀具的本體通常用鋁合金等輕型材料制造，這樣在高速回轉(zhuǎn)時(shí)可以降低離心力。預(yù)計(jì)這種刀具今后將在達(dá)到蕞高轉(zhuǎn)速條件下使用 

6、選擇適用的刀具材料：應(yīng)選擇高溫硬度特很好和工作狀態(tài)很穩(wěn)定的刀具材料，例如具有高密度涂層的硬質(zhì)合金涂膜和金屬陶瓷涂膜。 

7、充分發(fā)揮立方氮化硼的作用：立方氮化硼材料具有良好的切削性能，所以應(yīng)確立用立方氮化硼燒結(jié)體刀具的高效率、高精度的加工技術(shù)。 

8、開發(fā)小直徑立方氮化硼刀具：為了發(fā)揮立方氮化硼的良好特性，所以開發(fā)小直徑立方氮化硼燒結(jié)體刀具，如直角形立銑刀、球頭立銑刀和鉸刀等。 

適合于超高速的刀具夾持器 

隨著高速、高精度切削技術(shù)的不斷進(jìn)步，刀具夾持器也將發(fā)生較大的變化以作配合。 

在目前不斷向超高速回轉(zhuǎn)方向發(fā)展的條件下，將要研究和開發(fā)加工中心主軸與刀具夾持器的新型連接方法。在轉(zhuǎn)速超過每分鐘3萬轉(zhuǎn)的高速加工中心中，采用主軸內(nèi)藏式刀具夾持器效果理想?，F(xiàn)在這種夾持器已投入實(shí)際使用，令用戶可以充分發(fā)揮小直徑切削刀具的性能。 

快速調(diào)換刀具技術(shù)應(yīng)按照使用目的來選擇相適應(yīng)的方式。從目前狀況來看，插入式彈簧夾頭具有較高的剛性，且跳動(dòng)也很小，是可取的一個(gè)選擇。 

由實(shí)驗(yàn)得知，在同樣的切削條件下，使用帶有O形圈的刀具防振夾持器可以獲得良好的加工面粗糙度，因?yàn)檫@種夾持器可以有效地吸收切削加工時(shí)年產(chǎn)生的振動(dòng)，從而減少了刀具刃尖的跳動(dòng)。不帶O形圈的刀具防振夾持器的效果稍差，用常規(guī)刀具夾持器的加工面粗糙度蕞差。 

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還有一種是熱套方式的刀具夾持器。這種夾持器在減少刀具刃法跳動(dòng)和保持刀具剛性方面都具有良好的效果。但用這種夾持方式加工帶臺(tái)皆的工作時(shí)，由于夾持器的直徑較大而接近性較差。隨著加工速度不斷提高，預(yù)計(jì)今后還將一切出各種新型的夾持刀具的方式。

分類： 高速加工中心