多轴控制的高速加工中心

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以往对飞机、涡轮机、水轮机和各类模具中具有高附加价值的复杂形状零部个，都采用多道工序和多台机床进行加工。这样有仅加工周期长，还由于多次装夹而难以达到高精度。不过，技术不断在进步。牌价推出加工中心之后，在一次装夹中可以对坯料的五个面进行平面、曲面、钻孔和铰孔等多种加工，从而缩短了加工周期和提高了加工精度。现在则要进一步扩展加工中心的加工能力和加工效率，为此推动了加工中心向多轴控制和超高速加工方向发展，令机加工又向前跨进一大步。
5 s" W) H0 A) b8 d. _/ C4 k( H2 E多轴控制
了解基本的概念
通常所说的多轴控制是指4轴以上的控制，其中具有代表性的是5轴控制加工中心。这种加工中心可以加工用3轴控制机床无法加工的复杂形状工件。如果用它来加工3轴控制机床能加工的工件，那可以提高加工精度和效率。
对刀具和工件的相对位置来说，现在的多轴控制加工中心可以设置6根轴，即沿直线作前后、左右或上下移动的X、Y、Z的3根轴，还有控制工作台倾斜角度的B轴和控制主轴回转角度的C轴。使用回转刀具时，则由Z轴控制回转的主轴作上下或前后移动，就成为5轴控制。只有使用非回转刀具时可作6轴控制。
9 \' |* Y9 Y) j9 ~通常为了提高加工效率而使用回转刀具，但因而也受到回转刀具的限制，存在不可能加工的部位和形状。现在不仅可以使用回转刀具，还可以使用非回转刀具和控制其回转角度，所以对任何形状都能加工，一般用非回转刀具的加工有刨削和在XY平面上作平滑加工等方式。现在已经开发了一种可使用改进后的刀具并形成一体化的6轴控制复合式新型加工中心。
! j' y( A, m+ w) q5 H) q$ V) G. k5轴控制加工中心的加工特点
: I% n  F% c! \+ y/ s. }由于5轴加工中心的刀具可以对工件呈任意的姿势进行加工，所以可避免切削速度为零的现象，还可以选择最适宜的刀具及相对于工件的姿态有效地进行加工，以及对凹入的形状用刀具倾斜的姿态进行加工，这些都是有利于加工的条件。
0 q% C% _% O# R; s+ q; d特别是用5轴控制加工时，为了避免具有两根回转轴的刀具与工件发生干涉，必须生成刀具路径。但再生成NC数据是一件很麻烦的事。现在开发了具有通用性的5轴控制软件，即可以生成防止发生刀具与工件干涉的刀具路径。这时以软件实体模型为中心，使用防止发生干涉的算法即可版生成刀具路径（即CL数据）。所生成的刀具路径与5轴控制加工中心的结构无关，是一种中性数据。此处理软件称为主处理程序。
除此以外，还需设置能按照规定使用加工中心的结构和组成，从已生成已生成的刀具路径自动生成NC数据的后处理器。如果按照原样使用已生成的刀具路径，就不可能使不同机械结构和构造的5轴控制加工中心运转。为此必须采取各种措施将CL数据变换成适合于各种不同结构加工中心的NC数据。
5轴加工中心的主要结构形式可按照工作台上两根回转轴与一根主轴的各种设置方式分成3大类。。由于各轴的相对位置有多种多样的结构型式，因此也必须设置能适应多种结构型式的通用化后处理器。
) N/ M5 ?6 Y3 d* T9 ]& b设置后处理器不仅是为了将防止发生干涉的刀具路径变换成适合于不同结构加工中心使用的NC数据，还为了能稳定地改变进给速度和使移动路径偏差最小的线性化功能。
6轴控制加工中心的加工特点
5 H, n" [% Z% M# Z; o有一点要注意的，是在使用回转刀具进不可能用6轴控制加工。但由于切削速度与进给速度相等而具有加工效率高的特点，所以用5轴控制对一次装夹的坯料也可以作多种加工。也正是由于切削速度与刀具进给速度相当，所以必须使用高刚性结构的加工中心。精加工的切入量很小，只有几个um，还要求机床具有很高的定位精度。
6轴控制特点如下：
( f0 [5 {) r: j6 R1、对平面和曲面作平滑加工：由于是用线接触加工，所以在加工表面不残留进给痕。
2、在平面和曲面上加工异形断面的槽：即可以加工与刀具前进方向成直角的槽，可以是非对称的任何形状。用回转刀具则无法加工这种异形断面槽。
3、加工两曲面交界处的特征线：这是用固定刀具与沿交线的面相接触。条件下移动刀具进行刨削。用回转刀具也无法加工这种特征线。
$ b+ d0 a% i) K+ M1 T2 U4、隅角加工：由于回转刀具是圆形的，所以无法形成隅角处的直角。用6轴控制可加工隅角。
+ g9 {; b+ @. Z8 ?4 _5、凹坑加工：可对由平面和曲面构成凹坑的棱线进行清晰地加工。这是特征线加工的扩展。
, E0 q7 c' W0 F$ k" @! c6轴控制与5轴控制一样需要设置主处理器和后处理器。但由于这时刀具与工件之间的关系使6个自由度。为此更要设法防止发生干涉，一旦发生干涉就无法继续加工。其后同样要在已生成的CL数据基础上由后处理器按不同类型的6轴控制加工中心生成NC数据。
发展趋向
# ], n7 L% f1 U) X1 F* P用5轴控制加工的NURBS插补
$ i3 a- d& A. ^6 o; y8 G- Y* i( [由于对自由曲面进行精加工的NC数据是以连续的微小线段组合来表达，所以复杂开头的NC数据量非常庞大。现在则因存储器的价格便宜，所以可作大容量储存，还可以与FA-LAN的DNC运转相结合高速传送数据进行加工。但在对于以高速加工为主的今天，NC数据的传送速度总是跟不上刀具的进给速度，从而使加工品质下降。为此使用大量数据的5轴控制必须进一步提高速度。
( j! o) n" p* G7 y$ X  g现在已经有用自由曲线对3维点群座进行插补的表示形状方法。用NURBS表示自由曲线则可为NC数据提供相当多的信息，从而使数据量大幅度减少。另一方面，现在已经开始将3轴控制的NURBS表达方式扩展到5轴控制中，从而减少了5轴控制中，从而减少了NC数据的位置。
利用二次曲面头立铣刀作5轴控制加工
使用球头立铣刀对自由曲面进行精加工时，因用一把刀具加工面不需要调换刀具，所以也不会发生刀具啮合问题，但必须选择与加工面最大曲率半径相适应的小直径球头立铣刀。如果欲获得由加工所形成的凹形高度很低的良好的加工面，就必须减少设定的进给间距，从而啬了切削距离和加工时间。解决这个问题的方式之一是使用称为二次曲面头立铣刀的特殊形状刀具进行5轴控制切削加工。
* U8 o9 C/ S! ?6 A9 [5 o所谓二次曲面头立铣刀是一种以圆锥曲线围绕中心轴回转形成头部形状的铣刀。头部形状有回转抛物面、回转双曲面和回转椭圆面三种类型。在回转面上带有许多切刃，但它的切刃与球头立铣刀不同，是带有连续变化的各种曲率。它们的曲率可从各圆锥曲线公式求得。
用这种铣刀切削时不像球头立铣刀那样只有一个曲率，而是可以选择其中与加工面相吻合的曲率。命名如对加工面上曲率大的部分用铣刀头部附近的切刃加工，曲率小的部分则可用铣刀侧面的切刃进行加工，这样就有加大进给间距，缩短加工时间的优点。
可以自动生成使用二次曲面头立铣刀的5轴控制高效率加工自由曲面的CAM软件，现已开发出来。伴有超声波振动的6轴控制加工。
在用常规条件对铝等软性金属进行6轴控制加工时，有表面粗糙度很有效期的缺点。现在有一种在刀具夹持器上安装超声波工具的方法进行6轴控制加工，这样不仅可使视在切削速度加快，还可以明显地改善加工面的粗糙度，是可取的方法。
! D5 q$ d* C2 C. w% I; Q% y超高速加工
7 P" e% J1 x) q( |3 p& N4 K约在10年前，主轴转速达到每分钟10万转的超高速CNC铣床面世之后，推动了用高速铣削方法加工模具和其他产品中复杂形状零部件的技术研究。接着又有硬度为HRC60的烧结立方氮化硼球头立铣刀的问世。这种高硬度刀具不仅可以进行每分钟超过1000m的超高速切削加工，还具有较长的使用寿命。
9 A9 ~5 `7 f8 V; x此后，由于用高速铣削加工模具和其他产品复杂形状零部件获得成功，此项技术就得到人们的关注。与此同时高速切削加工中心、刀具、辅助工具和CAD/XAM也开发出来并推向市场，从此以后高速加工技术得到了广泛的应用，并成为一种趋势。
, a  U, P9 I8 g( i/ M. z2 }超高速加工中心
超高速型主轴
超高速型主轴的dm.n值超过200万，其中dm是轴承范围节圆直径，单位为mm，n是每分钟最高转速，单位为rpm。为此专门开发了陶瓷滚珠的向心推力轴承，通过适合于使用的陶瓷滚珠的小直径化来降低离心力和减少发热，以及采用座圈下润滑方式来实现 高速回转。
此外还开发了与球轴承不同的非接触式油及空气静压轴承，空气静压轴承和磁轴承等新型轴承。其中空气静压轴承用于超高速CNC铣床中获得了成功，并进入了实用皆段。装有这种轴承的超高速机床的特点是主轴跳动极小，只有0.005um，特别适用于小直径立铣刀或刀具进行高速、高精度切削。它的另一个特点是易于掌握，只要经过短期培训即可操作，解决了费时的培训问题。增加了自动调换刀具装置之后，构成了一台完整的加工中心。最初达到实用化的高速加工中心的主轴转速为每分钟8万转。用于实验的刀具直径是m。如果后来又推出了采用同样方式的安装了每分钟15万转主轴的超高速加工中心，用于实验的刀具直径是φ6m。
4 g7 \+ ?2 r1 l2 w4 T在实验中发现，当主轴转速超过每分钟10万转时，离心力使主轴直径膨胀，为此必须要主轴与刀具有良好的连接，最适宜的方式现在已经开发出来。到现在为止，在超高速切削实验中，主轴都采用内装式弹簧夹头装置及由短锥面将两面夹紧的方式。
8 P! l9 r; @9 J另外，加工中心在作高速切削加工时，既要求达到高效率，还要求达到高精度，所以必须使用具有长寿命的刀具。基本措施是减少加工中刀具刃尖的跳动。也就是要减少在高速切削条件下主轴的跳动，所以还要考虑开发动态离散特性很好的主轴。
7 p  M& g) v9 _. I: \7 |8 K超高速进给和加减速装置
: ~# c2 O9 k) ?2 I% R3 [这是一种采用高精度导准滚珠丝杠两条螺纹的结构，使其成为具有跟踪高加速度刚性和较少惯性的适用于高速加工中心使用的新型进给装置。再加上新开发的小惯性输出的伺服电动机和机床本体的高刚性结构，形成进给速度达到每分钟60m和1G加速度的高速进给驱动加工中心。
9 v8 X* ^& K4 E# [另外还开发了一种工作台进给系统。它是在X轴和Y轴之外附加一根U轴的独特交叉式进给驱动系统，其中的U轴位于工作台下，可驱动工作台作平行于X轴的移动。所使用的高精度导准滚珠丝杠则具有进给速度每分钟100m和2G以上加速度的特性。用线性电动机驱动的方式，主要是着眼于提高进给驱动系统的高速加减速特性。现在有些加工中心已采用这种方式驱动。
对用于模具加工的加工中心来说，还要解决热变位的问题。这很可能是今后的一个重要研究课题。
超高切削刀具
在研究超高速切削时，从动态平衡特性和切刃刚性出发开发了负前角超高速型立铣刀，现在已由各刀具制造厂生产并推向市场。今后则还将解决以下各种问题：
( ?. m" _6 n. B* [5 e1、要使刀头刃尖的跳动极小：对立铣刀等刀具的使用寿命产生很大影响的因素之一是刀头刃尖的跳动，为此必须使这种跳动极小。此外，刀头刃尖的跳动还与加工面的表面精度有关，如果跳动稍大就不可能获得粗糙度良好的加工面。特别是在进行高速、高精度加工的立铣刀在L/D=3的条件下，理想的刀头刃尖跳动值应少5um。
% Y" ~  ^% w: I2、刀具的高刚性、高效率设计：在适合使用立铣刀等高速回转加工的场合，在设计上应确保刀具的刃长达到最短、多刃和最大断面积，那就可以充分发挥这种刀具的高精度，高效率切削加工特性。
3、将刀具设计成适合于作CNC切削加工：在设计刀具进应考虑只需要使用很少种类刀具就可以作多种复合加工。即昼使一把刀具具有多种功能。例如用一把刀具可完成总沉坑、钻孔和切削内螺纹等功能，这样便可提高工作效率。
4、将刀具设计成便于供给冷却液的形状：主要是关于钻头，通常在钻孔时，难以向孔中供给冷却液。现在在钻头中心开设一通孔，从此孔中供给冷却液。这样便可以将冷却液直接送到切削部优质产品，因而延长了钻头的使用寿命，在向外排出冷却液时还可以帮助排出切屑。目前为了适应环境保护的要求而使用冷却空气和雾状冷却剂，要求新设计的刀具形状也有助于供给这两种冷却媒体。
5、将刀具设计成适合于高速回转的可调换刀头型式：这种可调换刀头刀具的本体通常用铝合金等轻型材料制造，这样在高速回转时可以降低离心力。预计这种刀具今后将在达到最高转速条件下使用
6、选择适用的刀具材料：应选择高温硬度特很好和工作状态很稳定的刀具材料，例如具有高密度涂层的硬质合金涂膜和金属陶瓷涂膜。
7、充分发挥立方氮化硼的作用：立方氮化硼材料具有良好的切削性能，所以应确立用立方氮化硼烧结体刀具的高效率、高精度的加工技术。
8、开发小直径立方氮化硼刀具：为了发挥立方氮化硼的良好特性，所以开发小直径立方氮化硼烧结体刀具，如直角形立铣刀、球头立铣刀和铰刀等。
适合于超高速的刀具夹持器
随着高速、高精度切削技术的不断进步，刀具夹持器也将发生较大的变化以作配合。
2 O; `% X+ O- s5 U9 D! `在目前不断向超高速回转方向发展的条件下，将要研究和开发加工中心主轴与刀具夹持器的新型连接方法。在转速超过每分钟3万转的高速加工中心中，采用主轴内藏式刀具夹持器效果理想。现在这种夹持器已投入实际使用，令用户可以充分发挥小直径切削刀具的性能。
' ], w* l( p( H9 n$ N9 f1 E快速调换刀具技术应按照使用目的来选择相适应的方式。从目前状况来看，插入式弹簧夹头具有较高的刚性，且跳动也很小，是可取的一个选择。
由实验得知，在同样的切削条件下，使用带有O形圈的刀具防振夹持器可以获得良好的加工面粗糙度，因为这种夹持器可以有效地吸收切削加工时年产生的振动，从而减少了刀具刃尖的跳动。不带O形圈的刀具防振夹持器的效果稍差，用常规刀具夹持器的加工面粗糙度最差。
. G: r. Q# Q, F8 O- ]# z还有一种是热套方式的刀具夹持器。这种夹持器在减少刀具刃法跳动和保持刀具刚性方面都具有良好的效果。但用这种夹持方式加工带台皆的工作时，由于夹持器的直径较大而接近性较差。随着加工速度不断提高，预计今后还将一切出各种新型的夹持刀具的方式。
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