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五轴加工和复合加工的特点及其发展 |
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作者：北京机床研究所 盛伯浩 |
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五轴加工和复合加工的基本特点
随着航空航天飞行器、汽车和轨道车辆等向高速、节能和安全性方向发展，其结构趋向整体化、薄壁化和轻量化，其形状遵循动力学的要求日渐流线异型化和精密化，从而使不少关键零件呈现出复杂多面体和高次曲面的形态，应用三个直线轴的数控机床难于获得理想的加工精度和表面质量。促使对五轴加工技术需求的增长，近年又进而推进复合加工技术的发展，实现对复杂零件的高效、精密加工。
1. 五轴加工的内涵
五轴加工是五面加工技术和五轴联动加工技术的概括简称。
五面加工技术用于复杂多面体零件在一次安装条件下，通过增设的机床回转轴可以方便地完成除安装基面外所有平面和的铣、钻、镗等加工；不仅如此，而且在加工斜面时，通过刀具或工件的回转，可以使刀具更好地接近加工表面缩短刀具伸出长度，有利于提高切削能力和刀具寿命；此外还能解决依靠直线轴运动无法解决的内凹表面的加工。
五面加工另一个特点是回转轴只作分度定位，并不参与切削轨迹插补运动。例如图1所示V形发动机缸体，应用有A/B轴双摆工作台的卧式加工中心，A轴摆动可完成V形斜面和缸孔的加工，再用B轴转位就能完成曲轴轴承孔及其止推面等加工。
图1 V形发动机缸体
五轴联动加工技术是指一个复杂形状的表面需要用5个独立轴共同进行数控插补运动才能获得光顺平滑形面的加工技术。虽然从理论上讲任何复杂表面都可用X、Y、Z三轴坐标来表述，但实际加工刀具并不是一个点，而是有一定尺寸的实体，为了避免对空间扭曲面加工时出现刀具与加工面间的干涉以及保证曲面各点的切削条件的一致性，需要调整刀具轴线与曲面法矢间在两维方向上的夹角。五轴联动与三轴联动相比能加工误差与表面粗糙度减少至1/3～1/6。图 2所示为StarragHerket公司精加工时叶片型面的数据，在相同切削工时10min条件下，三轴联动加工的表面粗糙Ra1.8μm，而五轴联动得出的表面粗糙度仅为Ra0.3μm。
图2 五轴联动与三轴联动加工叶片工时及Ra对比
五轴联动加工的轴数是指加工同一表面时所需独立运动的轴的数量，而非指该数控拥有的可控制轴的数量。例如龙门铣床为保证横梁升降的平行性，需要左右两根驱轴W1，W2同步运动，也就是以W1为主动轴，而使W2轴与之保持同步。因此，它们只能作为1根独立运动轴。另外如果复杂雕塑表面具有回转体特征的话，不需要Y轴运动，可以在数控车床或车削中心上实现，其最多联动轴数大多为四个独立轴。
2．复合加工的内涵
复合加工是指一种能把多种加工方法和工序融合与集结的加工技术，可用以提升加工品质、精度和效率。目前作为中文名称出现的复合加工具有两种不同的加工原理，即：
（1）多种加工方法融合或协同方式的复合加工（Compsition Machining）。
（2）多种加工方法和工序集合方式的复合加工（Integrated Machining）。
融合式复合加工其特点为把两种或多种加工方法融合或协同作用在一起以提高加工效率和加工精度，主要用于精整加工，起始末于上世纪70年代对晶片和光学玻璃等超硬件材料的超精加工的要求。例如机械化学抛光（CMP）加工技术是由抛光剂中软磨料与工件表面相对摩擦运动，使微观接触点产生高温引起固相反应生成物，它随后被机械摩擦作用去除，其去除量可精细至亚纳米量级。
另外还有一种协同的复合加工，虽然也是在一种主要加工方法基础上加入第二种加工方法，但它只用于改善主要加工方法的切削条件。例如电解在线修整磨削（ELID）、超声车削和超声铣削，前者通过电解在线连续修整砂轮，获得较高生产率的镜面磨削效果。后者通过超声振动的作用改善切屑形成条件，虽然超声本身并不直接起材料切除作用，但可提高切削硬脆材料的刀具寿命，故更确切的名称称之为超声辅助车削（铣削）（Ultrasonic aided Turning/ Milling）。
集合式复合加工其特点为把两种或多加工方法集成在一台数控机床上，扩大了机床的加工功能，使需车、铣、磨等多工序加工的复杂零件可以在一台机床上顺序实施完成。其目的在于完成一个零件的所有工序加工，故国外也有称之为完整加工（Complete Machining 或End to End Machining）。
集合式复合加工机床（以下简称复合机床）出现于上世纪90年代中后期，其主要优点可归纳为：（1）进一步提高工序集中度，减少多工序零件加工的上下料时间；（2）可避免或减少工件在不同机床间进行工序转换而增加的工序间输送和等待时间，从而大幅度缩短零件加工周期和减少在制品的储存量，有力地支持零件库存的准时制造（JIT）的实施；（3）减少工件安装次数，避免安装误差，有利于提高加工精度的稳定性。
复合机床的这些优势正引导着数控机床由加工中心向更高工艺集成的方向发展，它将有助于优化生产车间的机床配置，推进加工技术的发展。因此本文将重点讨论集合式复合加工技术及复合机床。
五轴加工技术及其机床
1. 五轴加工机床的特征及选用
无论是五面加工机床还是五轴联动加工机床，它们都是在X、Y、Z三个直线运动轴的基础上至少增加A、B、C三个回转运动轴中任两个回转轴，由此导出多样的五轴加工机床的布局方案。针对加工件的形状、尺寸、重量、要求精度、材料的机械性能和切削栽荷等因素，可以确定适用的机床结构布局。
图3 A/C双摆转台立式加工中心
基于立式加工中心和卧式加工中心三直线轴结构布局基础上配置不同的回转运动型式可以得出多种布局，以适应不同场合的需要。
回转轴型式有两类：一类是刀具系统与工件系统各有一个回转运动轴，第二类是两个回转轴均配置给刀具系统或工件系统，通常称之为双摆铣头或双摆转台。
例如，有A/C 和B/C 两种双摆转台，虽然工作原理大致相同，但A/C转台有可左右支承刚性较大，但当台面向后转时，由于空间狭窄为防止干涉一般摆角较小（图3），而B/C转台通常为单臂支承刚性较小，但摆角范围大，易观察，适宜小型零件的加工（图4）。
图4 B/C双摆转台立式加工中心
显然，回转轴结构对五轴加工中心机床的功能和性能有重要的作用，近年来它的结构发展主要有以下四方面：
（1）采用力矩电机驱动，减少机械传动提高动态性能，如CyTec公司的CyMill万能铣头；
（2）发展A/B/C三轴摆动铣头，使角度变换更灵活、快速，如德国Zimmermann公司的M3ABC三轴摆角铣头；
（3）研发紧凑型A/B双摆铣头，如意大利Rambaudi公司DTH型A/B双摆铣头的摆角增长至±45。此外我国沈阳机床和齐二机床公司开发的适用于卧轴的A/B的摆角的并联杆机构铣头，具有新颖性，但摆角范围较小；
（4）应用±45斜面回转使轴线立卧转换的结构，一般称作为B轴，由于回转结合面大，可提高刚度和制动力矩，但斜面回转180时，轴线摆角仅为90，因此摆角范围较小，更适用于以五面加工为主的场合。
2. 加工倾斜多面体的坐标转换技术
不同的多面体零件由于其结构和功能的不同，会对其斜面的空间位置有多种的定义方法，因此要求数控系统配置完善的坐标转换应用软件以方便使用。
坐标转换的基本原理是把机床坐标系X、Y、Z转换为特征坐标系Xc、Yc、Zc，而特征坐标系的XcYc平面即包含该斜面，则刀具轴Z通过摆动至Zc，即可对斜面进行铣削和钻孔等加工。
功能完善的斜面加工的坐标转换软件，可以根输入不同的斜面参数如：斜面空间倾摆角、斜面方向矢量、斜面投影角或斜面上三个特征点等的数据，实现在工件一次安装条件下，对多面体的各个斜面进行坐标自动转换，既简化编程，又能在工件一次安装下连续加工各个斜面，提高了效率和加工精度。
3. 复杂曲面的精密光顺加工技术
雕塑型面、非球曲面和液体动力三维曲面等具有曲率不断变化甚至出现陡变的特征，因此在数控加工时不仅存在伺服驱动的运动轨迹的跟踪误差，而且还因曲率的变动出现运动跃度剧变和刀刃与已加工表面的干涉现象，使轨迹衔接处达不到光顺。而随着航空航天、激光核聚变、遥感成像和大规模集成电路等发展要求光学器件的形状误差≤0.05μm，表面粗糙度的最大轮廓高度Ry≤3nm。
面对这些需求，不仅要求提高五轴联动加工装备的制造精度，而且还需发展多种误差补偿技术。上世纪80年代FIDIA公司在其数控系统中配置了RTCP软件。用以修正刀具回转运动引起的附加线性位移，但是它仅是对刀尖的空间位置作静态调整，还不能精确补偿运动过程的动态误差，因此近10年来Heidenhain、Siemens和FANUC等公司不断深化研究五轴联动加工的补偿软件，用以减少插补过程因回转姿态引起的耦合误差，避免刀刃部的干涉及抑制回转运动的加加速度引起振动等，从而可使在较高进给速度下可使刀端运动轨迹达到理想平滑的效果。
复合加工技术及其机床
1. 复合机床是一种实现工艺集中的加工设备
复合机床能对复杂的多工序的零件进行完整加工，因此它与加工中心相比有以下两个重要特征：
（1）具有两种及以上提供不同类型切削动力的主轴系统；
（2）具有五轴加工的功能。
当前最常见的复合机床有：基于车削中心（TC）增加摆角铣头的铣车复合机床（Turning Milling Machine）；基于加工中心(MC)增加工件主轴头的车铣复合机床(Milling Turning Machine)，它配置了力矩电机直驱的类似立车的工件主轴旋台。
此外还有车磨复合机床，齿车复合机床的品种。MAZAK公司正在研究用几台适用的复合机床可替代生产线上多种加工设备，完成汽车发动机缸盖、缸体等新产品的试制。
2. 复合机床技术发展探讨
复合机床是一种应用对象比较明确的高效、精密数控机床，其衡量的标准主要不在于有多少个主轴头、有多少根控制轴，而在于它的适用性，发挥出它能完成其他类型数控机床不易完成的零件加工的优点。否则仅把各种功能简单地组合和堆积，徒然增加成本，而缺乏技术、经济的竞争力。因此宜于基于集约化观点加强应用工艺研究和简约与可重构模块研究。
工艺研究是复合机床总体方案设计的技术基础，例如大型汽轮机轴需要有车、铣、齿的工序，浆轮和涡轮盘需要有车削和五轴联动铣削等加工功能，通过对加工技术研究，合理配置切削功能部件和柔性辅助装置，使其能适用于高效地加工一定的零件族。
简约与可重构模块研究是经济地扩展复合机床功能的重要结构措施。例如：完善铣头的定位夹紧装置，使其兼具车刀刀架的作用，可使机床结构达到简约化目的；EMAG公司VL系列工件倒置式生产单元，其下方自动转位动力刀架在装上滚齿刀架后可完成齿轮的车、铣、钻和滚齿的加工，这样用户可以根据需要变换加工模块，而不致于出现功能冗余；又如南京四开公司引进瑞典Modig公司的Trans Flex柔性单元，其两侧支架可根据工艺需要安装不同用途的动力头和自动换刀装置，可实现结构的可重构性。
此外，由于复合机床的运动部件增多、空间紧凑，因此它的可靠性和安全性的智能化技术也是需要予以重视。(end)
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(10/12/2011) |
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