探讨改进多轴机床加工方法

余兆

摘 要 随着我国经济飞速的发展，工业机械在工业产业的应用中非常广泛。本文通过对现有多轴机床加工方法的研究，分析了多轴机床在运作过程中存在的问题，并针提出了主要改进措施和方向。

关键词 工业机械 多轴机床 改进措施

中图分类号：TG502 文献标识码：A

数控机床对于现如今的现代化工厂来说，是最主要的生产制造设备。多轴数控机床比传统机床在加工工艺上有更大的优势，传统加工机床正在慢慢都被数控机床替代。而其中五轴联动加工中心是数控机床中加工技术最高的一种多轴数控机床。五轴数控机床在工业生产和制造上的应用非常广泛，例如：

（1）复杂曲面类零件。在航空、航天及运输业中，具有复杂曲面的零件应用很广泛，如凸轮、航空发动机的整体叶轮、螺旋桨、模具型腔等。这类具有复杂曲线、曲面轮廓的零件盒形或壳体零件，采用普通机床加工或精密铸造难以达到预定的加工精度，且难以检测。而使用多轴联动的加工中心，配台自动编程技术和专用刀具，可以大大提高其生产效率并保证曲面的形状精度，使复杂零件的自动加工变得非常容易。

（2）异形类零件。异形件是外形不规则的零件，大多需要点、线、面多工位混合加工（如支架、基座、靠模等）加工异形件时，形状越复杂，精度要求越高，使用加工中心越能显示其优越性。

1多轴数控机床的类型

目前我国五轴联动数控机床，有立式，卧式和摇篮式，以及二轴Nc这几个基本的种类，其中以立式和卧室为最常见的类型。五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的，加工。如配置上五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适宜象汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。

五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。五轴联动数控机床是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家工业化水平的标志。

1.1立式五轴加工中心

立式加工中心是指主轴为垂直状态的加工中心，其结构形式多为固定立柱，工作台为长方形，无分度回转功能，适合加工盘、套、板类零件，它一般具有三个直线运动坐标轴，并可在工作台上安装一个沿水平轴旋转的回转台，用以加工螺旋线类零件。立式加工中心装卡方便，便于操作，易于观察加工情况，调试程序容易，应用广泛。但受立柱高度及换刀装置的限制，不能加工太高的零件，在加工型腔或下凹的型面时，切屑不易排出，严重时会损坏刀具，破坏已加工表面，影响加工的顺利进行。

立式五轴加工中心有两种不同形式的回转轴，包括工作台回转轴以及工作台，中间另设有一个回转台还让另一个轴回转的旋转轴。

1.2卧式五轴加工中心

卧式加工中心指主轴为水平状态的加工中心，通常都带有自动分度的回转工作台，它一般具有3～5个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标加一个回转运动坐标， 工件在一次装夹后，完成除安装面和顶面以外的其余四个表面的加工，它最适合加上箱体类零件。与立式加工中心相比较，卧式加工中心加工时排屑容易，对加工有利，但结构复杂，价格较高。

卧式五轴加工中心也的回转轴也有两种形式，一种是主轴摆动，固定成为一个回转轴，与工作台上的，另一个回转轴相互配合从而对部件进行立体加工。另外一种回转轴相对来说传统的回转轴。这种回转轴同样设置在床身上，我的工作范围是20度到-100度。其次，工作台中间也是有一个旋转轴，而且该旋转轴可以进行双向操作，回转的角度为360度。

2多轴机床的优势和加工特点

2.1加工精度高

多轴数控机床不仅提高了加工工艺的有效性，同时，在加工零件的过程中，整个过程只需要一次装夹，这在一定程度上更有效的保证了部件的加工精度。

2.2工装夹具数量少占地面积小

多轴数控机床有一个非常明显的优势，那就是工装夹具数量少，设备占地面积小。也正因为如此，在对机床设备的维护费用上也会有所减少，给企业节约了支出成本，提高了企业的经济收益。

2.3能进行自由曲线及多面体复杂构件的加工

由于三轴数控机床一般是由三个直线轴构成的，所以，不能一次性加工完成连续并且平滑的自由曲面。而五轴数控机床本身的结构复杂，编程难度大，因此使得五轴数控机床在进行复杂程度较高的部件加工更有优势。

2.4生产周期短易于管理

采用多轴数控机床进行各种零部件的加工，能够有效的缩短生产周期。而且由于所有的加工任务都只交给一个工作岗位，对于企业的生产管理带来更高的效率。

2.5缩短新产品研发周期

由于我国航空航天和汽车行业的飞速发展，对零部件的成型形状要求越来越高，精度要求也更为严格。而具有高柔性，高精度的多轴数控问题能够有效的解决新产品的研发问题，包括零部件的加工精度和周期问题，为新品研发提供更好的帮助，使研发周期缩短，新产品研发成功几率提高。

3多轴数控机床加工技术存在的问题

虽然多种数控机床在加工技术上，远远比三轴数控机床的加工技术高，但是，就目前我国对多轴数控机床的研究和开发，跟国外先进的多轴数控机床相比，还存在着一些问题和不足，如果能够将这些不足和问题加以研究和改进，就会使多轴数控机床有进一步的提升。

3.1非線性误差和奇异性问题

五轴数控机床在运作过程中其动力学要比三轴机床复杂的多，由于五轴数控机床有旋转坐标的存在，基于此，也就出现了跟旋转坐标有关的非线性误差问题。另外一个问题是奇异性问题，当奇异点处于极限位置时，那么，其附近的任何震荡都会导致旋转轴出现180度的翻转。这种情况会导致严重的问题发生。非线性误差这种问题的出现一般都是因为数控加工编程没做好，因此降低编程误差是有效的解决办法。

3.2五轴数控机床的机械误差问题

由于五轴数控机床的结构和加工工艺上比三轴数控机床更为复杂，因此在加工过程中，对于误差的保证，难度更大。要使五轴数控机床在加工过程当中有更高的精度和更高的效率，就必须要克服，数控机床本身的机械误差，重复定位误差以及机床中心数据误差，基本上这些误差都无法进行人为的干预和消除。

4改进多轴数控机床加工方案的具体措施

4.1机床加工工艺的制定

4.1.1加工基准与测量基准之间的关系

加工基准是指零件在加工过程中，作为定位基准的表面应首先加工出来，以便尽快为后续工序的加工提供精基准而测量基准则是用以检验已加工表面的尺寸及位置的基准。

4.1.2粗、精基准的定义与选择

工件在加工中第一道工序用未加工的毛坯表面做定位基准， 我们把这个定位表面称为粗基准。

粗基准的选择如下：

（1）如果必须首先保证阀门工件上加工表面与不加工表面之间的位置要求， 应以不加工表面作为粗基准。如果在工件上有很多不需加工的表面， 则应以其中与加工面的位置精度要求较高的表面作粗基准。

（2）如果必须首先保证工件某重要表面的余量均匀， 应选择该表面作粗基准。

（3）选作粗基准的表面，应平整，没有浇、冒口或飞边等缺陷，以便定位可靠。

（4）粗基准一般只能使用一次，特别是主要定位基准，以免产生较大的位置误差。

用工件的已加工表面做定位基准称精基准。

精基准的选择如下：

（1）用工序基准作为精基准， 实现“基准重合”， 以免产生基准不重合误差。

（2）当工件以某一组精基准定位可以较方便的加工其他各表面时，应尽可能 在多数工序中采用此组精基准定位， 实现“基准统一”， 以减少工装设计制造费 用、提高生产率、避免基准转换误差。

（3）当精加工或光整加工工序要求余量尽量小而均匀时，应选择加工表面本 身作为精基准， 即遵循“自为基准”原则。 该加工表面与其他表面间的位置精度 要求由先行工序保证。

（4）为了获得均匀的加工余量或较高的位置精度，可遵循互为基准、反复加工的原则。

4.2减少编程误差

数控加工编程是保证多轴数控机床能够有效运作的基本条件，也是能够保证加工零件的精确度和其他标准规定的根本。因此，在改进多轴数控机床加工方法的同时，要做好多轴数控机床的加工编程。可从多轴数控加工编程的具体步骤进行一一的改进和操作。

4.2.1首先根据模型定义切削策略

根据模型定义切削策略是保证部件加工后进度和准确度的基本条件，通过多轴加工的常用方法使刀位的轨迹保持在固定的设计上，同时在此过程中还要判断和掌握刀位轨迹的长短和方向变化。

4.2.2控制刀轴

在对刀具轴线矢量控制时，尽量采用使都是轴线变化平稳的原则，保持切削载荷的稳定。

4.2.3选择合适的切削参数

在选择切削参数时一定要考虑加工过程中的每一个因素，尤其是刀具和工件这两个因素。根据加工部件的特性比如形状，大小，切削性能等这些特点，选择合适的刀具材料。然后根据直径等各项参数，确定切削的速度，主轴的转速以及切削的深度等。

4.2.4机床误差

要充分考虑到机床误差的存在，要在加工策略中给加工余量预留足够的余量，在选择和编制加工策略时，要结合机床误差进行参数设置。

4.3有效实施误差补偿方法

有效的降低五轴数控机床生产存在的各种误差，那么就必须要针对不同类型的多轴数控机床对产生的误差进行检测，辨识，最后针对性的进行改进方案的设计和实施。以高压锅轮类机甲零件外形面岛屿上空间斜孔和沉头孔加工为例。由于其中一組螺纹孔从零件外加工，而另外一组沉头孔零件重新装夹后从零件内加工。两次加工存在着重复定位误差可机械误差等其他误差。要解决这个问题可有以下方法。首先可以将机床的主轴利用数控程序摆放到加工空间位置上，沿主轴方向大表得到主轴位置与零件位置的周向偏差值并做好标记。其次，利用公式计算出空间偏差在坐标系中的补偿值。最后，重新进行程序的运行。这种误差补偿法能效的降低多轴数控机床存在的差误差。这个补偿值可以通过两种方法去实现补偿，一是在加工策略参数中（告诉给编程的软件），二是在数控系统参数中设置（告诉给机床）。

5结束语

由于多轴数控机床的复杂性较高，在使用过程当中仍然会存在一些问题，企业在多轴数控机床的应用上还要根据加工部件和机床本身的实际情况对多轴数控机床进行更加全面的研究与分析，为企业自身发展提供更有力的帮助。

参考文献

[1] 杨金秀.改进多轴机床加工方法的探讨[J].中国科技博览，2013：196-196.

[2] 刘英学，李忠宝.改进多轴机床加工方法的探讨[J].哈尔滨轴承，2008，29（01）：35-36.

[3] 邱立伟.多轴数控机床综合误差建模与补偿的研究[D].长春：长春工业大学，2011.