专题论文--数控五轴技术及数控编程
附录1专题部分数控五轴技术及数控编程随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要求越来越加强烈。中、小批量生产的比重明显增加，要求现代数控机床成为一种高效率、高质量、高柔性和低成本的新一代制造设备。同时，为了满足制造业向更高层次发展，为柔性制造单元，柔性制造系统，以及计算机集成制造系统提供基础设备，也要求数控机床向更高水平发展。这些要求主要由数字控制技术的发展来实现。数控技术体现在数控装置、伺服驱动系统、程序编制、机床主机和检测监控系统等方面。一、数控加工技术近代，大工业生产大量采用了刚性自动化。在汽车工业、拖拉机以及轻工业消费品生产方面。采用了大量的组合机床自动线、流水线；在标准件生产中采用了凸轮控制的专用机床和自动机床。这类机床适合于大批量生产，但是建立制造过程很难，所以更换产品，修改工艺要较长的时间和比较多的费用。由于产品多样化和产品更新，解决单件，小批量生产自动化迫在眉睫。航空、宇航、造船、电子等工艺对解决复杂型零件加工和高精度零件加工要求越来越高。这就使刚性自动化不能满足要求，柔性加工和柔性自动化也就迅速发展起来。数控机床是新型的自动化机床，它具有广泛通用性和很高的自动化程度。数控机床是实现柔性自动化最重要的装置，是发展柔性生产的基础。数控机床在下面一些零件的加工中，更能显示出它的优越性。它们是：1）批量小而又多次生产的零件；2）几何形状复杂的零件；3）在加工过程中必须进行多种加工零件；4）切削余量大的零件；5）必须控制公差（即公差带范围小）的零件；6）工艺设计会变化的零件；7）加工过程中的错误回造成严重浪费的贵重零件；8）需全部检测的零件，等等。数控加工技术的特点：1、提高生产率。数控机床能缩短生产准备时间，增加切削加工时间的比较。采用最佳切削参数和最佳走刀路线能缩短加工时间，从而提高生产率。2、稳定产品质量。采用数控机床可以提高零件的加工精度，稳定产品质量。它是按照程序自动加工不需要人工干预，而且加工精度还利用软件进行校正及补偿，因此，可以获得比机床本身精度还要高的加工精度及重复精度。3、有广泛的适应性和较大的灵活性。通过改变程序，就可以加工新品种的零件。能够完成很多普通机床难以完成，或者根本不能加工的复杂型面的零件的加工。4、可以实现一机多用。一些数控机床，例如加工中心，可以自动换刀。一次装卡后，几乎能完成零件的全部加工部位的加工，节省了设备和厂房面积。5、提高经济效益。可以进行精确的成本计算和生产进度安排，减少在制品，加速资金周转，提高经济效益。6、不需要专用夹具。采用普通的通用夹具就能满足数控加工的要求，节省了专用夹具设计制造和存放的费用。7、大大地减轻了工人的劳动强度。数控机床是具有广泛的通用性而又具有很高自动化程度的全新型机床。它的控制系统不仅能控制机床各种动作的先后顺序，还能控制机床运动部件的运动速度，以及刀具相对工件的运动轨迹。数控机床是计算机辅助设计和制造，群控，柔性制造系统，计算机集成制造系统等柔性加工和柔性制造系统的基础。但是，数控机床的初投资及维修技术等费用较高，要求管理及操作人员的素质也较高。合理地选择及使用数控机床，可以降低企业的生产成本，提高经济效益和竞争能力。二、五轴加工技术五轴加工是在数控镗或数控铣的基础上，增加了自动换刀装置，使工件在一次装夹后，可以连续对工件自动进行钻孔、扩控、铰孔、攻螺纹、铣削等多加工的机床。加工中心一般带有自动分度回转工作台或主轴箱可自动改变角度，从而使工件一次装夹后，自动完成多个平面或多个角度位置的多工序加工，工序高度集中；加工中心能自动改变主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹；加工中心如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，可在装卸位置的工作台上装卸工件，工作效率高。五轴数控加工技术可以在一次装夹中完成工件的全部机械加工工序，满足从粗加工到精加工的全部加工要求，即适用于单件小批量生产也适用于大批量生产，减少了加工时间和生产费用，提高了数控设备的生产能力和经济性。 目前国际上五轴高速切削加工技术主要应用于汽车工业、模具行业、航空航天行业，尤其是在加工复杂曲面的领域、工件本身或刀具系统刚性要求较高的加工领域，显示了强大的功能。国内五轴高速切削加工技术的研究与应用始于20世纪90年代，应用于模具、航空航天和汽车工业。但采用的高速切削CNC机床、高速切削刀具和CAD/CAM软件等以进口为主。数控五轴高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。在常规切削加工中备受困惑的一系列问题通过五轴高速切削加工的应用得到了解决。其切削速度和进给速度比传统的切削加工速度高，切削机理发生了根本的变化。与传统切削加工相比，切削加工发生了本质的飞跃。其单位功率的金属切除率提高了30%40%、切削力降低了30%、刀具的切削寿命提高了70%、留于工件的切削热大幅度降低、低阶切削振动几乎消失。随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，切削时间减少，加工效率提高。缩短了产品的制造周期，增加了产品的市场竞争力。同时高速加工的小量快进使切削力减少，切屑的高速排除，减少了工件的切削力和热应力变形，提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。另外，由于切削力的降低，转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的表面粗糙度对低阶频率最为敏感，由此降低了表面粗糙度。在模具的高淬硬刚件（4565HRC）的加工过程中，采用高速切削可以取代电加工和磨削抛光的工序。避免了电极的制造和费时的电加工时间，大幅度减少了钳工的打磨与抛光量。一些市场上越来越需要的薄壁模具工件，高速铣削可顺利完成。而且在高速铣削CNC加工中心上，模具一次装夹可完成多工步加工。1、五轴高速加工切削的优点五轴高速加工切削系统主要由高速加工中心、高性能的刀具夹持系统、高速切削刀具、安全可靠的高速切削CAM软件系统，因此五轴高速加工是一项大的系统工程。随着切削刀具技术的进步，高速加工已应用于加工合金钢（硬度大于30HRC），广泛地应用在汽车和电子元件产品中的冲压模，注射模零件。高速加工的定义依赖于被加工的工件材料的类型。例如，高速加工合金钢采用的切削速度为500m/min，而这一速度在加工铝合金是常采用顺铣。2、五轴高速铣削加工机床五轴超高速切削技术是切削技术是切削加工的方向，也是时代发展的产物。高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一，它随着CNC技术、微电子技术、新材料和新结构等基础技术的发展而迈尚更高的台阶。然而高速切削技术自身也存在着一些急待解决的问题，如高硬度材料的切削机理、刀具在载荷变化过程中的破损、建立高速切削数据库、开发适用于高速切削加工状态的监控技术和绿色制造技术等等。同时高速切削所用的CNC机床，车、铣、钻等刀具，CAD/CAM软件等技术含量高，价格昂贵，使得高速切削投资大，这在一定程度上制约了高速切削技术的推广应用。高速切削的高效应用要求机床系统中的部件都必须先进，主要表现在以下几个方面：a、机床结构的刚性。提供高速进给的驱动器（快进速度约40m/min，3D轮廓加工速度为10m/min），能够0.410m/s的加速度和减速度。b、主轴和刀柄的刚性。1000050000转/min的转速，通过主轴压缩空气或冷却系统控制刀柄和主轴间的轴向间隙不大于0.005mm。c、控制单元2和4位并行处理器，高的数据传输率，能够自动加减速。d、可靠性与加工工艺。提高机床的利用率和无人操作的可靠性，工艺模型有助于对切削条件和刀具寿命之间关系的理解。常见国内外五轴高速加工中心与传统普通数控机床相比，其机床结构、加工速度和性能更优秀，如德国的DMC85高速加工中心，采用直线电机和电主轴，其主轴转速达到30000转/min，进给速度达到120m/min，加速度超过1g（重力加速度）。五轴高速机床要求高的主轴单元和冷却系统、高刚性的机床结构、安全装置和监控系统、以及优良的静动力特性等，其技术含量高，机床制造难度大等特点。目前国内的高速机床其性能与国外相比还存在一定的差距。三、数控编程数控机床是按照事先编制好的工程序自动对工件进行加工的高效自动化设备。在数控机床上加工零件时，要把加工零件的全部工艺过程、工艺参数和位移数据，以信息的形式记率在控制介质上，用控制介质上的信息来控制机床，实现零件的全部加工过程。这里，我们把从零件图纸到获得数控机床所需控制介质的全部过程，称为程序编制。程序编制是数控加工的一项重要、工作，理想的加工程序不仅应保证加工出符合图纸要求的合格工件，同时应该能使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥，以使数控机床安全可靠及高效地工作。数控机床程序编制的内容主要包括：分析零件图纸、工艺处理、数学处理、编写程序单、制备控制介质及程序校验。其具体步骤与要求如下：1、分析零件图纸首先要分析零件图纸。根据零件的材料、形状、尺寸、精度、毛坯形状和热处理要求等确定加工方案，选择合适的数控机床。2、工艺处理工艺处理涉及问题较多，需要考虑如下几点：1）确定加工方案 此时应按照能充分发挥数控机床功能的原则，使用合适的数控机床，确定合理的加工方法。2）刀具工夹具的设计和选择 数控加工用刀具由加工方法、切削用量及其它与加工有关的因素来确定。数控机床具有刀具补偿功能和自动换刀功能。数控加工一般不需要专用的复杂的夹具。在设计和选择夹具时，应特别注意要迅速完成工件的定位和夹紧过程，以减少辅助时间。使用组合夹具，生产准备周期短，夹具零件可以反复使用，经济效益好。此外，所用夹具应便于安装，便于协调工件和机床坐标系的尺寸关系。3）选择对刀点 程序编制时正确地选择对刀点是很重要的。“对刀点”是程序执行的起点，也称“程序原点”。对刀点的选择原则是：所选对刀点，应使程序编制简单；对刀点应选择在容易找正、并在加工过程中便于检查的位置；引起的加工误差小。对刀点可以设置在被加工零件上，也可以设置在夹具或机床上。为了提高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基础或工艺基准上。4）确定加工路线 加工路线的选择主要应该考虑：尽量缩短走刀路线，减少空走刀行程，提高生产率；保证加工零件的精度和表面粗糙度的要求；有利于简化数值计算，减少程序段的数目和编程工作量。5）确定切削用量 切削用量即切削深度和宽度，主轴转速及进给速度等。切削用量的具体数值应根据数控机床使用说明书的规定，被加工工件材料，加工工序以及其它工艺要求，并结合实际经验来确定。3、数学处理在工艺处理工作完成后，根据零件的几何尺寸，加工路线，计算数控机床所需的输入数据。一般数控系统都具有直线插补、圆弧插补和刀具补偿功能。对于加工由直线和圆弧组成的较简单的平面零件，只需计算出零件轮廓的相邻几何元素的交点或切点（称为基点）的坐标值。对于较复杂的零件或零件的集合形状与数控系统的插补功能不一致时，就需要进行较复杂的数值计算。4、编写零件加工程序单在完成工艺处理和数值计算工作后，可以编写零件加工程序单，编写人员根据所使用数控系统的指令、程序段格式，逐段编写零件加工程序。编程人员要了解数控机床的性能、程序指令代码以及数控机床加工零件的过程，才能编写出正确的加工程序。5、制备控制介质及程序检验程序编好后，需制作控制介质。控制介质有穿孔纸带、穿孔卡、磁带、软磁盘和硬磁盘等。早期为穿孔纸带，现在已被磁盘所代替。但是，规定的穿孔纸带代码标准没有变。在单件和多品种小批量产品生产模式下，产品品种复杂多样，个性化要求高，没有统一的流程。数控加工技术在这种生产模式中日益发挥巨大作用人。数控加工技术不仅可以提高产品的加工精度和品质，而且可以大大缩短产品的生产周期。一般来讲，数控加工技术中包括了数控加工机床、数控编程软件和数控设备管理软件。数控编程软件（ 软件）在提高机床加工精度和加工效率方面起着
