五轴数控加工关键技术探讨

1 概述

    众所周知，数控机床是当今现代化工厂的主要制造设备，数控技术是先进制造技术的关键技术，传统加工正在被数控加工逐步取代，数控加工技术水平已成为反映一个国家先进制造技术的重要指标之一。五轴联动加工中心代表了数控机床的最高水平，反映了一个国家的装备制造业的发展水平。我国的数控装备经过六十多年的发展，在许多项技术取得很大的进步，但在高端数控加工装备制造方面基础还比较薄弱，在多轴联动加工软件平台和数据库开发方面还落后于世界先进水平，需进一步提升。五轴数控加工应用非常广泛，主要应用在航空航天、水利水电、轮船等高端产品的核心部件的制造，例如具有复杂曲面结构的航空发动机大型整体叶轮、水利水电设备中的发电机转子制造，汽车发动机中的涡轮以及模具制造等领域。这些零件都是相关产品的核心部件，直接影响产品的性能和质量。在西方装备制造业较发达的国家，为提高生产效率，五轴联动加工中心在制造业的各领域已得到广泛应用。如今，随着现代产品质量的提高，要求零件数量减少的同时还要求零件精度的提高，这就使得结构一体化的复杂异形件零件的需求量越来越大，其交货时间越来越短，鉴于五轴联动加工中心的加工优势以及五轴联动加工中心价格的降低，五轴联动加工中心将在加工制造各领域得到广泛推广。因此，开展五轴加工技术的研究非常有必要和意义重大。

2 五轴数控加工

    所谓的五轴数控加工是指能同时控制五个以上坐标轴的联动的数控加工，其中包括三个直线轴(XYZ)和两个旋转轴（ABC三个旋转轴中的两个）。五轴加工将各种加工功能组合在一起后，实现工件在一次装夹后，完成对多个面的铣、镗、钻等多道工序的加工，有效地避免了多次装夹产生的误差，缩短了生产周期，提高零件质量。随着结构复杂产品的广泛应用，要求数控设备具有更高的加工能力和加工效率，由此，五轴数控加工技术得到了广阔的发展领域。五轴数控加工的特点有：刀具可以进入型腔内部，加工三轴加工不到的部位，这种模式有利于采用短刀具加工零件的侧壁和型腔，提高刀具的刚性，减小振动，提高零件的精度；减少工装夹具数量和占地面积；减少基准转换，提高加工精度；缩短新产品研发周期；缩短生产过程链，简化生产管理。五轴加工按照联动轴数的不同，可以分为“3+2”、“4+1”、五轴联动加工三种模式。

    2.1 “3+2”轴加工模式

    “3+2”加工是五轴加工的常用模式，它指的是在五轴加工过程中，在两个旋转轴（ABC中的两个）的矢量方向确定后，3个直线轴(XYZ)做三轴联合运动完成零件加工的方式。这种加工模式能够提高生产效率，减少装夹次数，避免零件的安装误差。这种加工模式在加工箱体、模具零件的底部或侧壁时，可使用短刀具加工提高加工刚性。在进行“3+2”五轴加工模式时，先要建立定位坐标系，然后确定机床的旋转轴后在进行零件的定位加工，在斜面上加工孔时，采用这种加工模式，体现出很高的效率。“3+2”模式的五轴加工编程相对简单，对五轴机床的磨损小（旋转轴的使用寿命比直线的使用寿命低）。“3+2”模式的五轴加工不足是：加工时两个向量之间存在加工界限，在精度不高的五轴机床上加工时会产生“台阶”，而五轴联动加工则可以避免。