多轴机床加工综述/增材制造培训课件-视频展播

通常所说的多轴数控加工是指4轴以上的数控加工，加工时能同时控制4个以上坐标轴的联动，对刀具和工件的相对位置来说，多轴数控加工中心可以设置6个轴，即作直线运动的X、Y、Z 轴，还有控制工作台倾斜角度的A、B 轴和控制主轴回转角度的C 轴。使用回转刀具时，由Z 轴控制回转的主轴作直线运动，就成为5轴控制，只有使用回转刀具时可作6轴控制，加工时将数控铣、数控镗、数控钻等功能组合在一起，工件在一次装夹后，可以对加工面进行铣、镗、钻等多工序加工，有效地避免了由于多次安装造成的定位误差，能缩短生产周期，提高加工精度。随着模具制造技术的迅速发展，对加工中心的加工能力和加工效率提出了更高的要求，多轴机床先进加工技术已经在实际加工领域得到了广泛的应用。

其中具有代表性的是5轴数控加工。五轴机床特别适用于加工几何形状复杂的模具或产品零件。五轴加工中心在加工较深、较陡峭的型腔时，可以通过工作台或主轴头的附加回转及摆动为立铣刀的加工创造最佳的工艺条件，并避免刀具、刀杆与工件型腔发生碰撞，减少刀具加工时的抖动和刀具破损的危险，从而有利于提高模具的表面质量、加工效率和刀具的耐用度。充分利用当今技术领域里的最新成就，特别是利用驱动技术和控制技术的最新成果，是不断提高加工中心高速性能、动态特性和加工精度的关键。近年来，多轴加工技术广泛应用在航空航天制造业、模具加工业、汽车零件加工以及精密零件加工。

数控加工技术作为现代机械制造技术的基础，使得机械制造过程发生了显著的变化。现代数控加工技术与传统加工技术相比，无论在加工工艺、加工过程控制，还是加工设备与工艺装备等诸多方面均有显著不同。通常所说的多轴数控加工是指四轴以上的数控加工，其中具有代表性的是五轴数控加工。

随着数控技术的发展，多轴数控加工中心得到越来越广泛的应用。多轴数控加工中心最大的优点是使原本复杂零件的加工变得容易了许多，并且缩短了加工周期，提高了加工质量。多轴数控机床主要依赖于CAD和CAM软件进行编程。

hyperMILL是OPEN MIND公司开发的产品。OPEN MIND 是全球最受欢迎的CAM 解决方案开发商之一，其产品专门用于独立于机床和控制器的编程。OPEN MIND可设计CAM 优化解决方案，包括大量其他产品无法提供的创新功能，显著提升了编程和加工性能。hyperMILL系统中内嵌了诸如 2.5D、3D、五轴铣削和车铣复合等策略，以及诸如 HSC（高速加工）和 HPC（高性能加工）等加工操作。由于 hyperMILL与当前所有的CAD解决方案和众多编程自动化工具的全面兼容性，客户可最大限度地享受产品的优势。

在三坐标铣削加工和普通的两坐标车削加工中，作为加工程序的NC代码的主体即是众多的坐标点，控制系统通过坐标点来控制刀尖参考点的运动，从而加工出需要的零件形状。在编程的过程中，只需要通过对零件模型进行计算，在零件上得到点位数据即可。而在多轴加工中，不仅需要计算出点位坐标数据，更需要得到坐标点上的矢量方向数据，这个矢量方向在加工中通常用来表达刀具的刀轴方向，这就对计算能力提出了挑战。目前这项工作最经济的解决方案是通过计算机和CAM软件来完成，众多的CAM软件都具有这方面的能力。但是，这些软件在使用和学习上难度比较大，编程过程中需要考虑的因素比较多，能使用CAM软件编程的技术人员成为多坐标加工的一个瓶颈因素。

其次，即使利用CAM软件，从目标零件上获得了点位数据和矢量方向数据之后，并不代表这些数据可以直接用来进行实际加工。因为随着机床结构和控制系统的不同，这些数据如何能准确地解释为机床的运动，是多坐标联动加工需要着重解决的问题。以五坐标联动的铣削机床为例，从结构类型上看，分为双转台、双摆头、单摆头/单转台三大类，每大类中由于机床运动部件的运动方式的不同而有所不同。以直线轴Z轴为例，对于立式设备来说，人们编程时习惯以Z轴向上为正方向，但是有些设备是通过主轴头固定而工作台向下移动，产生的刀具相对向上移动实现的Z轴正方向移动；有些设备是工作台固定而主轴头向上移动，产生的刀具向上移动。在刀具参考坐标系和零件参考坐标系的相对关系中，不同的机床结构对三坐标加工中心没有什么影响，但是对于多轴联动的设备来说就不同了，这些相对运动关系的不同对加工程序有着不同的要求。由于机床控制系统的不同，对刀具补偿的方式和程序的格式也都有不同的要求。因此，仅仅利用CAM软件计算出点位数据和矢量方向并不能真正地满足最终的加工需要。这些点位数据和矢量方向数据就是前置文件。我们还需要利用另外的工具将这些前置文件转换成适合机床使用的加工程序，这个工具就是后处理。

1.1课题研究意义及背景

零件加工在工业生产中有着悠久的历史。经过几十年的发展，零件的加工精度要求越来越高，生产周期越来越短。从最早期的手动铣床的加工发展到数控铣床的加工；到加工中心的出现；然后到五轴加工中心的推出，让我们的加工手段越来越丰富。但是目前国内还有很多的加工企业在进行多面体零件加工时仍然用传统的多次装夹来完成加工，这样的加工方式使零件的生产周期过长，对某些部位的加工精度无法控制，所以国内的生产企业如果不能突破此瓶颈，那么就很难适应国际市场的需要，最终会被市场淘汰。而为了满足国内加工行业的发展和变化，机床制造商有针对性的推出了多轴机床。

随着数控技术的发展，多轴数控加工中心正在得到越来越为广泛的应用。数控加工技术作为现代机械制造技术的基础，使得机械制造过程发生了显著的变化。现代数控加工技术与传统加工技术相比，无论在加工工艺，加工过程控制，还是加工设备与工艺装备等诸多方面均有显著不同。我们熟悉的数控机床有XYZ三个直线坐标轴，多轴指在一台机床上至少具备第4轴。通常所说的多轴数控加工是指4轴以上的数控加工，工件在一次装夹后，可以对加工面进行铣、镗、钻等多工序加工，有效地避免了由于多次安装造成的定位误差，能缩短生产周期，提高加工精度。其中具有代表性的是5轴数控加工。对加工中心的加工能力和加工效率提出了更高的要求，因此多轴数控加工技术得到了空前的发展。

1.2多轴加工技术发展概况

当下多轴数控技术是国内外的热门技术，多轴数控技术的特点可以有效的提高加工精度以及加工效率，由于我国多轴数控技术起步较晚，与国外的发展现状不一致，文章以国内外作为区分来阐述多轴数控的发展现状。

1.2.1国外多轴数控加工技术现状

国外的多轴数控加工技术发展较早，当下已有多个国家在国际市场拥有享誉全球的知名品牌。文章主要分析德国、西班牙、台湾以及意大利4个国家的多轴数控加工技术发展现状。德国的5轴加工中心具有14种机型，可有效的进行5面加工以及5轴联动的各种工作，加工质量高、加工效率快。最大的摆角角度为18°，再通过一次装夹之后即可完成零件加工。西班牙的多轴数控工作台具有高架机身、高强度的移动梁、高强度的刚性结构等特点，并且采用了在5轴加工具有丰富经验的高速精密电主轴，具有良好的动态加工以及加工精度。意大利的5轴切削加工中心具有高功率、高转速、模块式设计等热点，主要针对非金属材料的高精度加工。应用在各个领域的模具制造业[1]。

1.2.2国内多轴数控加工技术现状

国内的多轴数控系统的发展方向大都是企业与主机厂配套研发,从而将中、高端的数控加工机床全国化生产。我国的自行研发生产的多轴数控系统与国外的同类型系统相比，具有高精度、性能强、质量优异、价格低廉等特点。当下我国在多轴数控加工技术领域，通过自主研发的高精尖产品打破了发达国家的技术垄断，但是我国的多轴数控加工技术与相关设备在工业上的应用水平较低，与在多轴数控领域发展多年的工业发达国家相差较大，因此我国还应积极的研究以及发展多轴数控加工技术。

第2章 多轴数控加工特点及类型

2.1多轴数控加工类型

加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心。三轴立式加工中心最有效的加工面仅为工件的顶面，卧式加工中心借助回转工作台，也只能完成工件的四面加工。多轴数控加工中心具有高效率、高精度的特点，工件在一次装夹后能完成5个面的加工。如果配置5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，非常适于加工汽车零部件、飞机结构件等工件的成型模具。

根据回转轴形式，多轴数控加工中心可分为两种设置方式:

2.1.1工作台回转轴

工作台可以环绕X 轴回转，定义为A轴，A轴的一般工作范围是+30°至-120°。工作台的中间还设有一个回转台，环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360°回转。通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的5个面都可以由立式主轴刀具进行加工。A轴和C轴的最小分度值一般为0.001°，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如果与X、Y、Z三轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面。这种设置方式的多轴数控加工机床的优点是:主轴结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转角度≥90°时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。

2.1.2立式主轴头回转

主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360°，成为C轴，回转头上还带有可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90°以上。这种设置方式的多轴数控加工机床的优点是：主轴加工非常灵活，工作台也可以设计得非常大。在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，而采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量，这是工作台回转式加工中心难以做到的。

2.2 多轴数控加工的特点

2.2.1减少基准转换，提高加工精度

多轴数控加工的工序集成化不仅提高了工艺的有效性，而且由于零件在整个加工过程中只需一次装夹，加工精度更容易得到保证。

2.2.2减少工装夹具数量和占地面积

尽管多轴数控加工中心的单台设备价格较高，但由于过程链的缩短和设备数量的减少，工装夹具数量、车间占地面积和设备维护费用也随之减少。

2.2.3缩短生产过程链，简化生产管理

多轴数控机床的完整加工大大缩短了生产过程链，而且由于只把加工任务交给一个工作岗位，不仅使生产管理和计划调度简化，而且透明度明显提高。工件越复杂，它相对传统工序分散的生产方法的优势就越明显。同时由于生产过程链的缩短，在制品数量必然减少，可以简化生产管理，从而降低了生产运作和管理的成本。

2.2.4缩短新产品研发周期

对于航空航天、汽车等领域的企业，有的新产品零件及成型模具形状很复杂，精度要求也很高，因此具备高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力的多轴数控加工中心可以很好地解决新产品研发过程中复杂零件加工的精度和周期问题，大大缩短研发周期和提高新产品的成功率。

2.3 多轴机床结构与应用特点

2.3.1五轴机床结构

五轴机床由X、Y、Z 三个直线轴以及围绕各自回转的轴（A、B、C）组合而成。五轴加工按坐标运动的关系分为五面加工、五轴定位加工和五轴同步轮廓加工。（1）五面加工。依照立方体法则，工件加工位置处于各基准面上，使它在一个工序里完成其五面的加工，主要用于箱体的加工。（2）五轴定位加工（3+2轴定位加工）。这是运用五面加工、多角度特点和工作部件平面的组合。两组平台旋转，轴只利用于定位工件的位置。主轴是永远是垂直方向，主要用于零件的钻、攻、镗、铣。（3）五轴同步轮廓加工。机床可以完成五方位的定位外，还可以实现五坐标联动输出。目前，主要用来加工叶轮、涡轮、蜗杆、螺旋桨等异形零件。

2.3.2五轴机床加工特点

现阶段，无论是五轴联动机床还是五面体加工机床（俗称3+2 轴机床），都可以通过 A、B、C 三个附件轴中的两个轴互相协作从而进行除了装夹面以外的五个基础面进行加工。五轴机床的产生，使对专用夹具的需求程度大大降低，对成型工具的依赖性也直线下降。导致产品的生产速度大大提高，从而降低成本，对企业产生较大的竞争力。五轴机床加工与三轴机床加工的优越性对比如下。

1）在铣削加工时，传统的三轴机床加工当遇到倒扣面时运用传统的装夹方式是：使用专用夹具装夹，这样的加工方式会由于多次装夹而引起误差的累积。而使用五轴机床，可以通过机床的主轴头摆动或者工作台的摆动而达到最好的加工效果。这样，使用最简单的装夹就能加工出复杂的零件。并且，加工效率有大幅度的提高，如图1所示。

图1 铣削加工

（2）在进行倾斜面加工时，三轴机床的常规做法是：采用层切的方式，使用这样的加工方式，加工效率非常低。当产品的批量较大时，很多的企业都会采用成型刀具。这样生产效率会有很大的提高，然而，刀具的成本也会大幅度地升高，生产成本也随之提高了。但是，运用五轴机床加工，可以使用普通的刀具进行任何形状的加工，既能降低刀具的成本，提高生产效率，还能提高产品的利润，

如图 2 所示。

图2 斜面加工

多轴加工技术

数控加工技术作为现代机械制造技术的基础，使得机械制造过程发生了显著的变化。现代数控加工技术与传统加工技术相比，无论在加工工艺，加工过程控制，还是加工设备与工艺装备等诸多方面均有显著不同。我们熟悉的数控机床有XYZ三个直线坐标轴，多轴指在一台机床上至少具备第4轴。通常所说的多轴数控加工是指4轴以上的数控加工，其中具有代表性的是5轴数控加工。

多轴数控加工能同时控制4个以上坐标轴的联动，将数控铣、数控镗、数控钻等功能组合在一起，工件在一次装夹后，可以对加工面进行铣、镗、钻等多工序加工，有效地避免了由于多次安装造成的定位误差，能缩短生产周期，提高加工精度。随着模具制造技术的迅速发展，对加工中心的加工能力和加工效率提出了更高的要求，因此多轴数控加工技术得到了空前的发展。

随着数控技术的发展，多轴数控加工中心正在得到越来越为广泛的应用。它们的最大优点就是使原本复杂零件的加工变的容易了许多，并且缩短了加工周期，提高了表面的加工质量。产品质量的提高对产品性能要求提高，例如车灯模具：汽车大灯模具的精加工：用双转台五轴联动机床加工，由于大灯模具的特殊光学效果要求，用于反光的众多小曲面对加工的精度和光洁度都有非常高的指标要求，特别是光洁度，几乎要求达到镜面效果。采用高速切削工艺装备及五轴联动机床用球铣刀切削出镜面的效果，就变得很容易，而过去的较为落后的加工工艺手段就几乎不可能实现。采用五轴联动机床加工模具可以很快的完成模具加工，交货快，更好的保证模具的加工质量，使模具加工变得更加容易，并且使模具修改变得容易。在传统的模具加工中，一般用立式加工中心来完成工件的铣削加工。随着模具制造技术的不断发展，立式加工中心本身的一些弱点表现得越来越明显。现代模具加工普遍使用球头铣刀来加工，球头铣刀在模具加工中带来好处非常明显，但是如果用立式加工中心的话，其底面的线速度为零，这样底面的光洁度就很差，如果使用四、五轴联动机床加工技术加工模具，可以克服上述不足。

多轴加工的类型

加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心。三轴立式加工中心最有效的加工面仅为工件的顶面，卧式加工中心借助回转工作台，也只能完成工件的四面加工。多轴数控加工中心具有高效率、高精度的特点，工件在一次装夹后能完成5个面的加工。如果配置5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，非常适于加工汽车零部件、飞机结构件等工件的成型模具。根据回转轴形式，多轴数控加工中心可分为两种设置方式

（1）工作台回转轴。

这种设置方式的多轴数控加工机床的优点是：主轴结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A 轴回转角度≥90°时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。

（2）立式主轴头回转。

这种设置方式的多轴数控加工机床的优点是：主轴加工非常灵活，工作台也可以设计得非常大。在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，而采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量，这是工作台回转式加工中心难以做到的。

多轴加工的特点

采用多轴数控加工，具有如下几个特点：

（1）减少基准转换，提高加工精度。

多轴数控加工的工序集成化不仅提高了工艺的有效性，而且由于零件在整个加工过程中只需一次装夹，加工精度更容易得到保证。

（2）减少工装夹具数量和占地面积。

尽管多轴数控加工中心的单台设备价格较高，但由于过程链的缩短和设备数量的减少，工装夹具数量、车间占地面积和设备维护费用也随之减少。

（3）缩短生产过程链，简化生产管理。

多轴数控机床的完整加工大大缩短了生产过程链，而且由于只把加工任务交给一个工作岗位，不仅使生产管理和计划调度简化，而且透明度明显提高。工件越复杂，它相对传统工序分散的生产方法的优势就越明显。同时由于生产过程链的缩短，在制品数量必然减少，可以简化生产管理，从而降低了生产运作和管理的成本。

（4）缩短新产品研发周期。

对于航空航天、汽车等领域的企业，有的新产品零件及成型模具形状很复杂，精度要求也很高，因此具备高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力的多轴数控加工中心可以很好地解决新产品研发过程中复杂零件加工的精度和周期问题，大大缩短研发周期和提高新产品的成功率。

五轴车铣技术

    五轴车铣技术是多轴加工技术的典型，五轴车铣中心是五轴车铣技术的载体，是指一种以车削功能为主，并集成了铣削和镗削等功能，至少具有3个直线进给轴和2个圆周进给轴，且配有自动换刀系统的机床的统称。这种车铣复合加工中心是在三轴车削中心基础上发展起来的，相当于1台车削中心和1台加工中心的复合，是2O世纪90年代发展起来的复合加工技术，是一种在传统机械设计技术和精密制造技术基础上，集成了现代先进控制技术、精密测量技术和CAD/CAM 应用技术的先进机械加工技术。五轴车铣中心的先进性表现在其设计理念上。在通常的机械加工概念中，1个零件的加工，少则一两工序，多则上百工序，要经过多台设备的加工来完成，要准备刀具、工装夹具。对复杂的零件来说，有的一套工装的准备就需要三、五个月的时间，即使不考虑经济成本，三、五个月的时间很可能会错过许多商品机遇和战略机遇。在汽车、家电等批量生产行业，为了提高效率和自动化水平，广泛采用自动化生产线，庞大的物流系统构成了自动线很主要的一部分，同时是一个占钱、占地的部分，也是故障多发的部分，对复杂形面的加工，物流更是一个大问题。零件的多次装夹和基准转换，有时带来不必要的工序，同时也使零件加工精度丧失。五轴车铣复合加工中心从设计概念上解决了这个问题，它是一次装夹，完成加工范围内的全部或绝大部分工序，实现了从复合加工到完整加工的飞跃。

五轴车铣复合加工中心从产生至今，已有近20年的历史，技术已经成熟并被国内外用户接收和认可。从趋势上看，主要向以下几个方向发展：

(1)更高工艺范围。

通过增加特殊功能模块，实现更多工序集成。例如将齿轮加工、内外磨削加工、深孔加工、型腔加工、激光淬火、在线测量等功能集成到车铣中心上，真正做到所有复杂零件的完整加工。

(2)更高效率。

通过配置双动力头、双主轴、双刀架等功能，实现多刀同时加工，提高加工效率。

(3)大型化。

由于大型零件一般多是结构复杂、要求加工的部位和工序较多、安装定位也较费时费事的零件，而车铣复合加工的主要优点之一是减少零件在多工序和多工艺加工过程中的多次重新安装调整和夹紧时间，所以采用车铣中心进行复合加工比较有利。所以目前五轴车铣复合加工中心正向大型化发展。例如沈阳机床的HTM125系列五轴车铣中心，回转直径达到1250mm，加工长度可以达到10000mm，非常适合大型船用柴油机曲轴的车铣加工。

(4)结构模块化和功能可快速重组

五轴车铣中心的功能可快速重组是其能快速响应市场需求，并能抢占市场的重要条件，而结构模块化是五轴车铣中心功能可快速重组的基础。一些技术先进的厂家(如德国DMG、奥地利的WFL、日本的MAZAK公司等)的许多产品都已实现结构模块化设计，并正在向如何实现功能快速重组的方面努力。

五轴车铣技术的先进理念是提高产品质量和缩短产品制造周期。因此，这种技术在军工、航空、航天、船舶以及一些民用工业领域中的应用具有相当的优势，尤其在航空航天领域一些形状复杂的异形零件的加工中更具优势，因此国外早已在航空航天领域大批采用此类设备代替传统的加工设备，而国内在这方面则比较落后，因此还需借鉴国外的先进经验，争取在五轴车铣技术的应用领域改变落后的局面。