多軸控製的高速加工中心

以往對飛機、渦輪機、水輪機和各類模具中（zhōng）具有高附加價值的複雜形狀零部個，都采用多道工序和多台機床進（jìn）行（háng）加工。這樣（yàng）有僅（jǐn）加工（gōng）周（zhōu）期長，還（hái）由於多次裝（zhuāng）夾而難以達到高精度。不過，技術不斷在進步。牌價推出加工中心之後，在一次裝夾中可以對坯（pī）料的五個麵進行平麵、曲麵、鑽孔和鉸孔等（děng）多種加工，從而縮短了加工周期和提高了加工精度。現在則要進一步擴（kuò）展加工中心的（de）加工能力和加工效率，為此推動了高速加工中心（xīn）向多（duō）軸控製和超高速加工方向發展（zhǎn），令機加工又向前（qián）跨進一大步。 

通常所（suǒ）說的多軸控製（zhì）是指4軸以上（shàng）的控製，其中具有代表性的是5軸控製加工中心。這種加工中心可（kě）以加工用（yòng）3軸控製機床無法加工的複雜形狀工件。如果用它來加工3軸控製機床能加工的工件，那可以提高（gāo）加工精（jīng）度和效率。 

對刀具和工件的相對位置來說，現在（zài）的（de）多軸控製加工中心可以設置6根軸，即沿直線作前後、左右或上下移動的X、Y、Z的3根軸（zhóu），還有控製（zhì）工作台傾斜角度的B軸和控製主軸回轉角（jiǎo）度的C軸。使用回轉刀具時，則（zé）由Z軸控製回轉的主軸作上下或前後移動，就成為（wéi）5軸控製。隻有使用非（fēi）回（huí）轉刀具時可作6軸控製。 

通常為了提高加工效（xiào）率而使（shǐ）用（yòng）回轉刀具，但因而也受（shòu）到回轉刀具的限（xiàn）製（zhì），存在不可能加工的部位和形狀。現在不僅可以使用回（huí）轉刀具，還可以使用非回轉刀具和控製其回轉角度，所以對任何形狀都能加工，一（yī）般用非回轉刀具的加工有刨削和在XY平麵上作平滑加工等（děng）方式。現在已經開（kāi）發了（le）一種可使用改進後的刀具並形成一體化的6軸（zhóu）控製複合式新型加工中心。 

5軸控製加工中心的加工特點 

由（yóu）於5軸加工中心的刀具可以對工件呈任（rèn）意的姿勢進行加工，所以可避免切削速度（dù）為零的現象，還（hái）可以選（xuǎn）擇最適宜的刀具及（jí）相對於工件的姿態（tài）有效地進行加工，以及對凹入的形狀（zhuàng）用刀具傾斜的姿態進行加工，這些都是有利於加工的條件。 

特別是用（yòng）5軸控製加工時（shí），為了避免具有兩根回轉軸的刀具與工件發生幹涉，必（bì）須生成刀具路徑。但再生成NC數據是一件很麻煩的（de）事（shì）。現（xiàn）在（zài）開發（fā）了具（jù）有通用性的5軸（zhóu）控（kòng）製軟件，即可以生成防止（zhǐ）發生刀具與工件幹涉的刀具路徑。這時（shí）以軟件實體模型為中心，使用防止發（fā）生（shēng）幹涉的（de）算法即可版生成刀具路徑（jìng）（即CL數據）。所生成的刀具路徑與（yǔ）5軸控製加工中（zhōng）心的結（jié）構無關，是一種（zhǒng）中性（xìng）數據。此處理軟件稱為主處理（lǐ）程序。 

除此以外，還需（xū）設置能按照規定使用加工中（zhōng）心的結構和組成（chéng），從已生成已生成的刀具路徑自動生成NC數據的後處理器。如（rú）果按照原樣使用已生成的刀具路徑，就不可能（néng）使不同機械結（jié）構和構（gòu）造（zào）的5軸控製加工中心運轉。為此必須采取各種措施將（jiāng）CL數（shù）據變換成適合於各種不同結構加工中心的NC數據。 

5軸加（jiā）工中心（xīn）的主要（yào）結構形式可按（àn）照工作台（tái）上兩根回轉軸與一根主軸的各種（zhǒng）設（shè）置方式分成3大類。。由於各軸的相對（duì）位置有多種多樣的結構型式，因此也必須設置能適應多種結構型式（shì）的通用化後處理器。 

設置後處理器不僅是為了將防止發生幹涉的刀具路徑（jìng）變換成適合於不同結（jié）構加工中心使用（yòng）的NC數據，還為了能穩定地（dì）改變進（jìn）給速度和（hé）使移動路徑偏（piān）差最小的線性化功能。 

6軸控製加工中心的加工特（tè）點 

有一點要注（zhù）意的，是在使用回轉刀具進不可能用6軸控製加工。但由於切削速度與進給速度相等而具有加工效率（lǜ）高的（de）特點，所以用（yòng）5軸控製對一次裝夾（jiá）的坯料也可以作多種加工。也正是由於切削速度與刀具進給速（sù）度相當，所以必須使用高剛性結構的加工中心（xīn）。精加工的切入量很小，隻有幾個um，還要求（qiú）機床具有很高的定（dìng）位精度。 

6軸控製特點如下：

1、對（duì）平麵和曲麵作（zuò）平滑加工：由於是（shì）用（yòng）線接觸（chù）加工，所以在加工表麵不殘留進給痕。 

2、在平麵（miàn）和曲（qǔ）麵上（shàng）加工異形斷麵（miàn）的槽：即可（kě）以加工與刀具前進方向成直角的槽，可以是非對稱的任何形狀。用回轉刀具則無法加工這種異形斷麵槽。 

3、加工兩曲麵交界處的特征線：這是用固定刀具（jù）與沿交線的麵相（xiàng）接觸。條件（jiàn）下移動刀具進行刨削。用（yòng）回轉刀具也無法加工這種特征線。 

4、隅角加工：由於回轉刀具是圓形的，所以無法形成隅角處的直（zhí）角。用（yòng）6軸控製可加工隅角。 

5、凹坑（kēng）加工：可對由平麵和曲麵構成凹坑的棱（léng）線進行清晰地（dì）加工。這是特征線加（jiā）工的擴展。 

6軸控（kòng）製與5軸控製一樣需要設置主處理器和後處理器。但由於這時刀（dāo）具與工件之間的關係使6個自由（yóu）度。為此更要設法防止發生幹涉，一旦發生幹涉就無（wú）法繼續加工（gōng）。其後同樣要在已生成的CL數據基礎上由後處理器（qì）按不同類（lèi）型的6軸控製加工中心生成NC數據。 

發（fā）展（zhǎn）趨向 

用5軸控製加工（gōng）的NURBS插補（bǔ） 

由於對自由曲麵進行精加工（gōng）的NC數據是以（yǐ）連續的微小線段組合來表達，所以複雜開頭的NC數據量非常龐大。現（xiàn）在則因存儲器的價格便宜，所以可作大（dà）容量儲存，還可以與FA-LAN的DNC運轉相（xiàng）結合高速傳送（sòng）數據進行加工。但在對於以（yǐ）高速加工為主的今（jīn）天，NC數據的傳送（sòng）速（sù）度（dù）總是跟不上刀具的進給速度，從而使加工品質下降。為此使用大量數據的5軸控製必須（xū）進一步提高速度。 

現在已經有用自由曲線對3維點群座進行插補的表示形狀方法。用NURBS表示（shì）自（zì）由曲（qǔ）線則可（kě）為（wéi）NC數據提供相當多的信息，從而使數據量大（dà）幅度減少。另一方麵（miàn），現在已經開始將3軸控（kòng）製的NURBS表達方式擴展到5軸控製中，從而減少了5軸控製（zhì）中，從而（ér）減少了NC數據的位（wèi）置。 

利用（yòng）二次曲麵頭立銑刀作5軸控製加工 

使用球頭（tóu）立銑刀對自由曲（qǔ）麵進行精加工時，因（yīn）用一把刀具加工（gōng）麵不需要調換刀具，所以也不會發生刀具齧合問題，但必須選擇與加工麵最（zuì）大曲率半（bàn）徑相適應的小直徑球頭立（lì）銑刀。如果欲獲（huò）得由加工所形（xíng）成的凹（āo）形高度很低的良好的加工麵，就必須減少設定的進給間距，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麵頭立銑刀的特殊形狀刀（dāo）具進行5軸控製切削加工。 

所謂二次曲麵頭立銑刀是一種以圓錐曲線圍繞中（zhōng）心軸回轉形成頭部形（xíng）狀的銑刀。頭（tóu）部形狀有回轉拋物麵、回轉雙曲麵和回轉橢圓麵三種（zhǒng）類型。在回轉麵上帶有許多切刃，但它的切刃與球頭立銑刀（dāo）不同，是帶有（yǒu）連續變化的各種（zhǒng）曲率。它們（men）的（de）曲率可從（cóng）各圓錐（zhuī）曲線公式求得。 

用這種銑刀（dāo）切削時不（bú）像球頭立銑刀（dāo）那樣隻有一個曲率，而是可以選擇其中與加工（gōng）麵相吻合的曲率。命名（míng）如對加工麵上曲率大的（de）部分用銑刀（dāo）頭部附近的切刃加工，曲率小的部分（fèn）則可用銑刀側麵的切刃進（jìn）行加工，這樣就有加（jiā）大進給（gěi）間距，縮（suō）短加工時間的優點。 

可以自動生成（chéng）使用二次曲麵頭立銑刀的（de）5軸控製高效率加工自由曲麵的CAM軟件，現已開發出來。伴有超聲波振動的6軸控製加工。 

在用常規（guī）條件對鋁等軟性金屬進行6軸控製加工時，有表麵粗糙度很有效期的缺點。現在有一種在刀具夾持器上安（ān）裝超聲波工具的（de）方法進行6軸控製加工，這樣不僅可使視在切削速度加快，還可以（yǐ）明顯地改善加工麵的粗糙度，是可取的方法。 

超（chāo）高（gāo）速加（jiā）工 

約在10年前，主軸轉速達到每分（fèn）鍾10萬轉的超高速CNC銑床麵世之後，推動了用高速銑削方法加工模具和其他產品中複雜形狀零部件的技術研究（jiū）。接著又有硬度為HRC60的燒結立方氮（dàn）化硼球頭立銑（xǐ）刀的問世。這種高硬度（dù）刀具不僅（jǐn）可以進行每分鍾超過1000m的超高速切削加工，還具有較（jiào）長的使用壽命。 

此後，由於用高速銑削加工（gōng）模具和其他產品（pǐn）複（fù）雜形狀零部件獲（huò）得成功，此項技術就得到（dào）人（rén）們的（de）關注。與此同時高速切削加工（gōng）中（zhōng）心（xīn）、刀具、輔助工具和CAD/XAM也開發出來並推向市場，從（cóng）此以後（hòu）高速加（jiā）工技術得到了廣泛的應用，並成為一種趨勢。 

超高速型主軸的（de）dm.n值超過200萬，其中dm是軸承範圍節圓直徑，單位為mm，n是每分鍾最高轉速，單位為rpm。為此專門開發了陶瓷滾珠的向心推力軸承，通過適合於使用的陶瓷滾珠的小直徑化來降低離心力和減少發熱（rè），以及采用座圈下（xià）潤滑方式來實（shí）現 高速回轉。 

此外還開發了與球軸承不同（tóng）的非接觸式油及空氣靜（jìng）壓軸承，空氣靜壓軸承和磁（cí）軸（zhóu）承等新型軸承（chéng）。其中空氣靜壓軸承用於超高速CNC銑（xǐ）床中獲得了成功，並進入了實（shí）用皆段。裝（zhuāng）有這種軸承的超高速機床的特點是主軸跳動極小，隻有0.005um，特（tè）別適用於小（xiǎo）直徑立（lì）銑刀或刀具進行（háng）高速、高精度切削。它的另（lìng）一個特點是易於掌握，隻要經過短期培訓即可操作，解決了費時的培訓問題（tí）。增加了自（zì）動調換刀具裝置之（zhī）後，構成了一台完（wán）整（zhěng）的加工（gōng）中心。最初達到實用化的高速加工中心的主軸轉速為（wéi）每分鍾8萬轉。用於（yú）實驗的刀具直徑是m。如果後來又推出（chū）了采用同樣方式的安裝了每分鍾15萬轉（zhuǎn）主軸的超高速加工中心，用（yòng）於實驗的刀具直徑是φ6m。 

在實驗中發（fā）現，當主軸轉速超過每（měi）分鍾10萬轉時，離（lí）心力使主軸直徑膨（péng）脹，為此必須要主軸與刀具有良（liáng）好的連接，最（zuì）適（shì）宜的方式現在已經開（kāi）發出來（lái）。到現在為止，在超高（gāo）速切削（xuē）實驗（yàn）中，主軸都采用內裝式（shì）彈簧夾頭裝置及由短錐麵將兩麵夾緊的（de）方式。 

另（lìng）外，加工（gōng）中心在作高速切削加（jiā）工時，既（jì）要求達到高效率，還要求達到高精度，所以必須使用具有長壽命的刀具。基本措（cuò）施是減少加工中刀具刃尖的跳動。也就是要減少在高速切削條件下主軸的跳（tiào）動（dòng），所以還要考慮開發動（dòng）態離散特性很好的主軸。 

超高速進給和加減速裝置（zhì） 

這是一種采用高精度導準滾（gǔn）珠絲杠兩條螺紋的結構，使其成（chéng）為具有跟蹤高加速度剛性和較（jiào）少慣性的適用於高速（sù）加工中心使用的新型進給裝置。再加上新開（kāi）發的小慣性輸出的伺服電動機和機床本體的高剛性結構，形成進給速度達到每分鍾（zhōng）60m和1G加速度的高（gāo）速進給驅動（dòng）加工（gōng）中心。 

另外（wài）還開發了一種工作台進給係統。它是在X軸和Y軸之外附加一根U軸的獨特交（jiāo）叉式進給驅動（dòng）係統，其中的U軸位於工作台下，可驅動工作台（tái）作平行於X軸的移動。所使用的高精度導準（zhǔn）滾珠絲杠則具有進給速度每分鍾100m和2G以（yǐ）上加速度的特性。用線（xiàn）性電（diàn）動機（jī）驅動的方式，主要是著眼於提高進給驅動係統的高速加減速特性。現在有（yǒu）些加工中心已采用（yòng）這種方式驅動。 

對用（yòng）於模（mó）具加工的加工中心來說，還要解決熱變位的問題。這很可能（néng）是今後的一個重要研究課題。 

超高切削刀具 

在研究超高速切削時，從動態平衡特性和切刃剛性出（chū）發開發了負前角（jiǎo）超高速型立銑刀，現在已由各刀具製（zhì）造廠生產並（bìng）推向市（shì）場。今後則還將解決（jué）以下各種問題（tí）： 

1、要使（shǐ）刀頭刃尖的跳動極（jí）小：對立銑刀等刀具的（de）使用壽命產生很大影響（xiǎng）的因素之一是刀（dāo）頭刃尖（jiān）的跳動，為此必須（xū）使這種跳動極小（xiǎo）。此（cǐ）外，刀頭刃尖的跳動還與加工（gōng）麵的表麵（miàn）精（jīng）度有關，如果（guǒ）跳動稍大就不可能（néng）獲得粗糙度良好的加工麵。特別是在進行高速、高精度加工的立銑刀在L/D=3的條件下，理想的（de）刀頭（tóu）刃尖跳動值（zhí）應（yīng）少5um。 

2、刀具的（de）高剛性、高效率設計：在適（shì）合使用立銑刀等高（gāo）速回轉加工的場合，在設計上應確保刀具的刃長達到最（zuì）短、多刃和（hé）最大斷麵（miàn）積，那就可以充分發揮這種刀具的高精度，高效率切削（xuē）加工特性。 

3、將刀具設計（jì）成適合於作（zuò）CNC切削（xuē）加工：在設計刀（dāo）具進應考慮隻需要使用很（hěn）少種類刀具就可以作多種複合加（jiā）工。即晝使一把（bǎ）刀具具（jù）有多（duō）種功能。例如用一把刀具可完成總沉坑、鑽（zuàn）孔和切削內（nèi）螺紋等功能，這樣便可提高工作效率。 

4、將刀（dāo）具（jù）設計成（chéng）便（biàn）於供給冷卻液的形狀：主要是關於鑽頭，通常在鑽孔時，難以向孔中供給冷卻（què）液。現在在鑽頭中心開設（shè）一通孔，從此孔中供給（gěi）冷卻液。這樣便可以將冷卻液直接（jiē）送到切削部優（yōu）質產品，因而延長了鑽頭的使（shǐ）用壽命，在向外排出冷（lěng）卻液（yè）時（shí）還可以幫助排出切屑。目前為了適應環境保護的（de）要求而使用冷卻空氣和霧狀冷卻劑，要（yào）求新設計（jì）的刀具形狀（zhuàng）也有助於供給這兩種冷卻媒體。 

5、將刀具設計成適合於高速回轉的可調換刀頭型式：這種可調換刀頭刀具的本體通常用鋁合金等輕（qīng）型材料製造，這（zhè）樣在高速回轉時可以降低離心力。預計（jì）這種刀具今後將在達到最高轉速條件下使用 

6、選擇適用的刀具材料：應選擇高溫硬度特很好和工作狀（zhuàng）態很穩定的刀具材料，例如具有高密度塗層的硬質合金塗膜和金屬陶瓷塗膜。 

7、充分（fèn）發揮立方（fāng）氮化硼的作用：立方氮化硼材料具有良好的切（qiē）削性能（néng），所以應確立（lì）用立方氮化硼燒結體刀具的高效率、高精（jīng）度的加工技術。 

8、開發小直徑立方氮化硼刀具（jù）：為了發揮立方氮化（huà）硼的良（liáng）好特性，所以開發（fā）小（xiǎo）直徑立方氮化硼燒結體刀具，如直角形立銑刀、球頭立銑刀和（hé）鉸刀等。 

適合於超高速的刀具夾持器 

隨著高速、高精度切削技術的不斷進步，刀具夾持器也將發生較（jiào）大的變化以作配合。 

在目前不斷向超（chāo）高速回轉（zhuǎn）方向發展的條件下，將要研究和開發加工中心主軸與刀具夾持器（qì）的新型連接方法（fǎ）。在轉速超過（guò）每分鍾3萬轉的高速加工中心中（zhōng），采用主軸內藏（cáng）式刀具夾持器效果理（lǐ）想。現在這種夾持器已投入實際使用，令用戶可以充分發揮小直徑切削刀具的性能。 

快速調換（huàn）刀具技（jì）術應按照使用目的來選擇相適應的方式（shì）。從目（mù）前狀況來看，插入式彈簧夾頭具有較（jiào）高的剛性，且跳動也很小，是可取的一個選擇（zé）。 

由實驗得（dé）知，在同樣的切削（xuē）條（tiáo）件下，使用帶有O形圈的（de）刀具防振夾持器可以（yǐ）獲得良好的加工麵粗糙度，因為這種夾持器可（kě）以有效地吸收切削加工時年產生（shēng）的振動，從而減少了刀具刃尖（jiān）的跳動。不帶O形圈的刀具防振夾持器的效果稍差，用常規刀具（jù）夾持器（qì）的加工（gōng）麵粗糙度最差。 

還有（yǒu）一種是熱套方式的刀具夾持器。這種夾（jiá）持（chí）器在減少刀具刃法跳動和保持刀具（jù）剛性方麵都具有良好的效果。但用這種夾持方式加工（gōng）帶台皆的工作（zuò）時，由於夾持器（qì）的直徑較大而接近性較差。隨著加工速度不（bú）斷提高，預計今後還將一（yī）切出各種新型的夾持刀具的方式。