陳曉燕

摘要：隨著工業(yè)4.O和智能制造的發(fā)展推廣，多軸加工設(shè)備的應(yīng)用成為機(jī)械加工行業(yè)的必然趨勢(shì)。以四軸、五軸加工中心、車銑復(fù)合為代表的先進(jìn)制造技術(shù)一直是企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)改革的方向，多軸加工工藝、加工質(zhì)量、加工效率成為行業(yè)追逐的焦點(diǎn)。針對(duì)四軸加工制造及運(yùn)用進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析探討，以平行于x軸的四軸加工中心為例，詳述圓柱面插補(bǔ)加工的方法。

關(guān)鍵詞：多軸加工中心；四軸加工；圓柱插補(bǔ)

中圖分類號(hào)：TH13 7.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和綜合國(guó)力的重要支柱，其生產(chǎn)總值一般占一個(gè)國(guó)家國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的20%～55%。在一個(gè)國(guó)家企業(yè)生產(chǎn)力構(gòu)成中，制造技術(shù)的作用一般占60%左右。世界上各個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)際上是先進(jìn)制造技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，其競(jìng)爭(zhēng)能力最終體現(xiàn)在所生產(chǎn)的產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率。隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的高速發(fā)展以及顧客的需求和市場(chǎng)環(huán)境的不斷變化，這種競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，因而各國(guó)政府都非常重視對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的研究。

現(xiàn)今，隨著工業(yè)4.0的深入和智能制造的全面推廣，多軸加工中心作為先進(jìn)生產(chǎn)力的代表在制造企業(yè)中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。以航空航天、汽車等制造業(yè)龍頭企業(yè)為代表，由于其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、部件的多樣化，以及對(duì)零件曲面曲片的大量運(yùn)用，故而對(duì)制造加工提出了很高的要求。傳統(tǒng)機(jī)床已經(jīng)滿足不了這樣的生產(chǎn)要求，四軸、五軸以及多附加軸的機(jī)床正是解決這類問題的關(guān)鍵所在。現(xiàn)代制造企業(yè)中，四軸、五軸加工編程多利用CAD/CAM技術(shù)來(lái)完成。利用數(shù)據(jù)模型、自動(dòng)編程、仿真加工、后處理技術(shù)可以完整處理復(fù)雜零件從圖紙到成品件的虛擬加工，即工業(yè)4.0中提到的“數(shù)字雙胞胎”。因此，掌握多軸加工的基本原理和基本編程方式，對(duì)于零件的制造、生產(chǎn)效率的提高都起著重要的作用[1]。

1 四軸加工的概述

四軸加工準(zhǔn)確地說(shuō)應(yīng)該是四坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)加工。目前，很多數(shù)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)此類插補(bǔ)運(yùn)算功能，以達(dá)到一次裝夾多面加工的要求。也有一些數(shù)控設(shè)備是在普通的數(shù)控三坐標(biāo)加工中心的基礎(chǔ)上，對(duì)第四軸進(jìn)行擴(kuò)展而來(lái)，使其可以滿足多面或軸面上的軌跡加工。

在數(shù)控機(jī)床里，對(duì)于坐標(biāo)系的定義是源于右手笛卡爾直角坐標(biāo)系，即：相交于原點(diǎn)的兩條數(shù)軸，構(gòu)成了平面放射坐標(biāo)系；而相交于原點(diǎn)的三條不共面的數(shù)軸構(gòu)成空間的放射坐標(biāo)系。在笛卡爾坐標(biāo)系中，過(guò)定點(diǎn)0，作三條互相垂直的數(shù)軸，它們都以0為原點(diǎn)且一般具有相同的長(zhǎng)度單位。這三條軸分別叫作X軸、Y軸、Z軸，統(tǒng)稱坐標(biāo)軸。在數(shù)控機(jī)床上，X、Y、Z軸的正方向要符合右手規(guī)則，即以右手握住Z軸，當(dāng)右手的四指從正向X軸以π/2角度轉(zhuǎn)向正向Y軸時(shí)，大拇指的指向就是Z軸的正向，這樣的三條坐標(biāo)軸就組成了一個(gè)空間直角坐標(biāo)系，點(diǎn)0叫作坐標(biāo)原點(diǎn)，X、Y、Z軸就是空間中的三個(gè)直線軸。多軸機(jī)床里除了三個(gè)直線軸，還定義了三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，分別是繞著X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)的A、B、C軸。A、B、C軸的方向確定也符合右手笛卡爾規(guī)則，即右手握住某一直線軸（例如：X軸），大拇指的指向與該直線軸正向相同，四指旋握的方向即為該直線軸對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸（即A軸）的正方向。

在數(shù)控加工中心里，四軸機(jī)床指的是配有X、Y、Z三個(gè)直線軸以及A或B或C三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸之一的加工中心，且三個(gè)直線軸與一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸可以進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算及加工，即為聯(lián)動(dòng)。立式機(jī)床往往配備的第四軸為A軸（如圖1所示），臥式機(jī)床則配備的第四軸為B軸（即Y軸所對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸）。

2 四軸加工的特點(diǎn)

四軸加工中心最早應(yīng)用于曲線曲面的加工，即葉片的加工?，F(xiàn)如今，四軸加工中心可以適用于多面體零件、帶回轉(zhuǎn)角度的螺旋線（圓柱面油槽）、螺旋槽、圓柱面凸輪、擺線的加工等等，應(yīng)用及其廣泛。

從加工產(chǎn)品我們可以看出，四軸加工有以下特點(diǎn)：

（1）由于有旋轉(zhuǎn)軸的加入，使得空間曲面的加工成為可能，大大提高了自由空間曲面的加工精度、質(zhì)量和效率；

（2）三軸加工機(jī)床無(wú)法加工到的或需要裝夾過(guò)長(zhǎng)的工件（如長(zhǎng)軸類軸面加工）的加工，可以通過(guò)四軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)完成；

（3）縮短裝夾時(shí)間，減少加工工序，盡可能地通過(guò)一次定位進(jìn)行多工序加工，減少定位誤差；

（4）刀具得到很大改善，延長(zhǎng)刀具壽命；

（5）有利于生產(chǎn)集中化。

3 四軸加工中心的工作模式

四軸加工中心一般有兩種加工模式：定位加工和插補(bǔ)加工，分別對(duì)應(yīng)多面體零件加工和回轉(zhuǎn)體輪廓加工?，F(xiàn)在，以帶A軸為旋轉(zhuǎn)軸的四軸加工中心為例，分別對(duì)兩種加工模式進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 定位加工

在進(jìn)行多面體零件加工時(shí)，需要將多面體的各個(gè)加工工作平面在圍繞A軸旋轉(zhuǎn)后能與A軸軸線平行，否則將造成無(wú)法加工，出現(xiàn)欠切或過(guò)切的現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)安裝在第四軸上的夾具將加工零件固定在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，校正基準(zhǔn)面以確定工件坐標(biāo)系A(chǔ)軸零點(diǎn)位置。在實(shí)際加工中先通過(guò)A軸的角度旋轉(zhuǎn)得到加工工作平面的正確位置，然后利用相關(guān)指令（例如FANUC系統(tǒng)中的Ml0）鎖定該位置，保證加工過(guò)程中加工面與A軸零點(diǎn)位置固定，從而使得該加工面內(nèi)所有元素的完整正確加工。對(duì)多面體下一個(gè)加工面加工時(shí)，只需先利用A軸打開指令（例如FANUC系統(tǒng)中的Mll）將A軸打開，再旋轉(zhuǎn)A軸角度至下一個(gè)加工平面與A軸軸線和主軸軸線組成的相交平面平行或垂直，然后鎖定即可加工[2]。

此類加工中，A軸僅起到分度的作用，并沒有參與插補(bǔ)加工，因此并不能體現(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)算。

3.2 插補(bǔ)加工

回轉(zhuǎn)零件的軸面輪廓加工或螺旋槽的加工，就是典型的利用四軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)計(jì)算而成的插補(bǔ)加工。例如圓柱面上的回轉(zhuǎn)槽、圓柱凸輪的加工主要是依靠A軸的旋轉(zhuǎn)加X軸的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此時(shí)，需要將A軸角度展開，與X軸做插補(bǔ)運(yùn)算，以確保A軸與X軸的聯(lián)動(dòng)，這個(gè)過(guò)程將用到圓柱插補(bǔ)命令（例如FANUC的G07.1）。

4 四軸加工中心的編程方法，編程要點(diǎn)

在三坐標(biāo)銑削加工和普通的兩坐標(biāo)車削加工中，作為加工程序的NC代碼的主體是眾多的坐標(biāo)點(diǎn)，數(shù)控系統(tǒng)NC主要是通過(guò)計(jì)算控制這些坐標(biāo)點(diǎn)來(lái)控制刀具參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，從而加工出需要的零件形狀。四軸加工的程序也是如此，在編程的過(guò)程中，只需要通過(guò)對(duì)零件模型進(jìn)行計(jì)算，在零件上得到點(diǎn)位數(shù)據(jù)即可。在多軸加工中，不僅需要計(jì)算出點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)，更需要得到坐標(biāo)點(diǎn)是哪個(gè)的矢量方向數(shù)據(jù)，這個(gè)矢量方向在加工中通常用來(lái)表達(dá)刀具的刀軸方向。四軸加工中，刀具刀軸方向始終與加工面垂直或平行，故而可以使用手工編程和自動(dòng)編程兩種方式來(lái)編制加工程序。對(duì)于簡(jiǎn)單輪廓，使用手工編程可以簡(jiǎn)化程序，使程序簡(jiǎn)明易處理[3]。

目前制造加工企業(yè)常用的數(shù)控系統(tǒng)有FANUC、SIEMENS、HEIDENHAIN等等，這里就FANUC系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明。

4.1 定位面加工舉例（FANUC系統(tǒng)）

如圖2所示，在兩個(gè)相隔1800平面上進(jìn)行輪廓加工。

在0度和180度的角度方向上分布的圓形輪廓一般加工時(shí)需要二次裝夾，精度難以控制。如果利用四軸中的A軸定位指令對(duì)零件進(jìn)行加工，將很好地解決這個(gè)問題。程序如圖3所示。

4.2 圓柱面插補(bǔ)加工舉例（FANUC系統(tǒng)）

如圖2所示，在圓柱面上進(jìn)行輪廓加工。

90度與270度柱面上的圓是附著在外圓表面上，加工時(shí)必須要工件旋轉(zhuǎn)與X軸方向的移動(dòng)同時(shí)進(jìn)行才能形成，在這樣程序中必須實(shí)現(xiàn)A軸與X軸的聯(lián)動(dòng)加工。程序如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

掌握四軸、五軸這些多軸加工中心數(shù)控編程技巧，不僅要掌握基本的機(jī)械加工常識(shí)、基礎(chǔ)三維造型技能、基礎(chǔ)編程知識(shí)等理論知識(shí)，更需要在實(shí)踐中進(jìn)行熟練化的操作，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。目前，多軸數(shù)控加工技術(shù)正朝著高速、高精、復(fù)合、柔性和多功能方向發(fā)展，努力達(dá)到高質(zhì)量、高效率的目標(biāo)。因此，掌握多軸數(shù)控加工技術(shù)和應(yīng)用是加工制造業(yè)的方向和任務(wù)。智能制造離不開先進(jìn)加工技術(shù)，多軸制造必然成為工業(yè)4.0的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊偉偉.數(shù)控加工中心四軸零件加工方向探討[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2016（3）：88-89.

[2]周春然.淺談加工中心四軸加工技巧[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（17）：73.

[3]孔德鏗.四軸加工應(yīng)用技巧[J].機(jī)床與液壓，2015，43（4）：44-47，17.