專題論文--數控五軸技術及數控編程

1、<p><b>　　附錄1專題部分</b></p><p>　　數控五軸技術及數控編程</p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展，制造技術的進步，以及社會對產品質量和品種多樣化的要求越來越加強烈。中、小批量生產的比重明顯增加，要求現(xiàn)代數控機床成為一種高效率、高質量、高柔性和低成本的新一代制造設備。同時，為了滿足制造業(yè)向更高層次發(fā)展，為柔性制造單元，柔性制造系統(tǒng)

2、，以及計算機集成制造系統(tǒng)提供基礎設備，也要求數控機床向更高水平發(fā)展。這些要求主要由數字控制技術的發(fā)展來實現(xiàn)。數控技術體現(xiàn)在數控裝置、伺服驅動系統(tǒng)、程序編制、機床主機和檢測監(jiān)控系統(tǒng)等方面。</p><p><b>　　一、數控加工技術</b></p><p>　　近代，大工業(yè)生產大量采用了剛性自動化。在汽車工業(yè)、拖拉機以及輕工業(yè)消費品生產方面。采用了大量的組合機床自動線

3、、流水線；在標準件生產中采用了凸輪控制的專用機床和自動機床。這類機床適合于大批量生產，但是建立制造過程很難，所以更換產品，修改工藝要較長的時間和比較多的費用。</p><p>　　由于產品多樣化和產品更新，解決單件，小批量生產自動化迫在眉睫。航空、宇航、造船、電子等工藝對解決復雜型零件加工和高精度零件加工要求越來越高。這就使剛性自動化不能滿足要求，柔性加工和柔性自動化也就迅速發(fā)展起來。</p>&l

4、t;p>　　數控機床是新型的自動化機床，它具有廣泛通用性和很高的自動化程度。數控機床是實現(xiàn)柔性自動化最重要的裝置，是發(fā)展柔性生產的基礎。數控機床在下面一些零件的加工中，更能顯示出它的優(yōu)越性。它們是：1）批量小而又多次生產的零件；2）幾何形狀復雜的零件；3）在加工過程中必須進行多種加工零件；4）切削余量大的零件；5）必須控制公差（即公差帶范圍小）的零件；6）工藝設計會變化的零件；7）加工過程中的錯誤回造成嚴重浪費的貴重零件；8）需全

5、部檢測的零件，等等。</p><p>　　數控加工技術的特點：</p><p>　　1、提高生產率。數控機床能縮短生產準備時間，增加切削加工時間的比較。采用最佳切削參數和最佳走刀路線能縮短加工時間，從而提高生產率。</p><p>　　2、穩(wěn)定產品質量。采用數控機床可以提高零件的加工精度，穩(wěn)定產品質量。它是按照程序自動加工不需要人工干預，而且加工精度還利用軟件進行校

6、正及補償，因此，可以獲得比機床本身精度還要高的加工精度及重復精度。</p><p>　　3、有廣泛的適應性和較大的靈活性。通過改變程序，就可以加工新品種的零件。能夠完成很多普通機床難以完成，或者根本不能加工的復雜型面的零件的加工。</p><p>　　4、可以實現(xiàn)一機多用。一些數控機床，例如加工中心，可以自動換刀。一次裝卡后，幾乎能完成零件的全部加工部位的加工，節(jié)省了設備和廠房面積。<

7、;/p><p>　　5、提高經濟效益。可以進行精確的成本計算和生產進度安排，減少在制品，加速資金周轉，提高經濟效益。</p><p>　　6、不需要專用夾具。采用普通的通用夾具就能滿足數控加工的要求，節(jié)省了專用夾具設計制造和存放的費用。</p><p>　　7、大大地減輕了工人的勞動強度。</p><p>　　數控機床是具有廣泛的通用性而又具有很

8、高自動化程度的全新型機床。它的控制系統(tǒng)不僅能控制機床各種動作的先后順序，還能控制機床運動部件的運動速度，以及刀具相對工件的運動軌跡。數控機床是計算機輔助設計和制造，群控，柔性制造系統(tǒng)，計算機集成制造系統(tǒng)等柔性加工和柔性制造系統(tǒng)的基礎。</p><p>　　但是，數控機床的初投資及維修技術等費用較高，要求管理及操作人員的素質也較高。合理地選擇及使用數控機床，可以降低企業(yè)的生產成本，提高經濟效益和競爭能力。</

9、p><p><b>　　二、五軸加工技術</b></p><p>　　五軸加工是在數控鏜或數控銑的基礎上，增加了自動換刀裝置，使工件在一次裝夾后，可以連續(xù)對工件自動進行鉆孔、擴控、鉸孔、攻螺紋、銑削等多加工的機床。加工中心一般帶有自動分度回轉工作臺或主軸箱可自動改變角度，從而使工件一次裝夾后，自動完成多個平面或多個角度位置的多工序加工，工序高度集中；加工中心能自動改變主軸

10、轉速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡；加工中心如果帶有交換工作臺，工件在工作位置的工作臺上進行加工的同時，可在裝卸位置的工作臺上裝卸工件，工作效率高。五軸數控加工技術可以在一次裝夾中完成工件的全部機械加工工序，滿足從粗加工到精加工的全部加工要求，即適用于單件小批量生產也適用于大批量生產，減少了加工時間和生產費用，提高了數控設備的生產能力和經濟性。 </p><p>　　目前國際上五軸高速切削加工技術主要應用于汽車

11、工業(yè)、模具行業(yè)、航空航天行業(yè)，尤其是在加工復雜曲面的領域、工件本身或刀具系統(tǒng)剛性要求較高的加工領域，顯示了強大的功能。國內五軸高速切削加工技術的研究與應用始于20世紀90年代，應用于模具、航空航天和汽車工業(yè)。但采用的高速切削CNC機床、高速切削刀具和CAD/CAM軟件等以進口為主。</p><p>　　數控五軸高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項先進制造技術，是集高效、優(yōu)質、低耗于一身的先進制造技術。在常規(guī)切

12、削加工中備受困惑的一系列問題通過五軸高速切削加工的應用得到了解決。其切削速度和進給速度比傳統(tǒng)的切削加工速度高，切削機理發(fā)生了根本的變化。與傳統(tǒng)切削加工相比，切削加工發(fā)生了本質的飛躍。其單位功率的金屬切除率提高了30%—40%、切削力降低了30%、刀具的切削壽命提高了70%、留于工件的切削熱大幅度降低、低階切削振動幾乎消失。隨著切削速度的提高，單位時間毛坯材料的去除率增加，切削時間減少，加工效率提高。縮短了產品的制造周期，增加了產品的市場

13、競爭力。同時高速加工的小量快進使切削力減少，切屑的高速排除，減少了工件的切削力和熱應力變形，提高了剛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，轉速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠離機床的低階固有頻率，而工件的表面粗糙度對低階頻率最為敏感，由此降低了表面粗糙度。在模具的高淬硬剛件（45—65HRC）的加工過程中，采用高速切削可以取代電加工和磨削拋光的工序。避免了電極的制造和費時的電加工時間，大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。一些市

14、場上越來</p><p>　　1、五軸高速加工切削的優(yōu)點</p><p>　　五軸高速加工切削系統(tǒng)主要由高速加工中心、高性能的刀具夾持系統(tǒng)、高速切削刀具、安全可靠的高速切削CAM軟件系統(tǒng)，因此五軸高速加工是一項大的系統(tǒng)工程。隨著切削刀具技術的進步，高速加工已應用于加工合金鋼（硬度大于30HRC），廣泛地應用在汽車和電子元件產品中的沖壓模，注射模零件。高速加工的定義依賴于被加工的工件材料的類

15、型。例如，高速加工合金鋼采用的切削速度為500m/min，而這一速度在加工鋁合金是常采用順銑。</p><p>　　2、五軸高速銑削加工機床</p><p>　　五軸超高速切削技術是切削技術是切削加工的方向，也是時代發(fā)展的產物。高速切削技術是切削加工技術的主要發(fā)展方向之一，它隨著CNC技術、微電子技術、新材料和新結構等基礎技術的發(fā)展而邁尚更高的臺階。然而高速切削技術自身也存在著一些急待解決

16、的問題，如高硬度材料的切削機理、刀具在載荷變化過程中的破損、建立高速切削數據庫、開發(fā)適用于高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術和綠色制造技術等等。同時高速切削所用的CNC機床，車、銑、鉆等刀具，CAD/CAM軟件等技術含量高，價格昂貴，使得高速切削投資大，這在一定程度上制約了高速切削技術的推廣應用。高速切削的高效應用要求機床系統(tǒng)中的部件都必須先進，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：</p><p>　　a、機床結構的剛性。提供高速進

17、給的驅動器（快進速度約40m/min，3D輪廓加工速度為10m/min），能夠0.4—10m/s的加速度和減速度。</p><p>　　b、主軸和刀柄的剛性。10000—50000轉/min的轉速，通過主軸壓縮空氣或冷卻系統(tǒng)控制刀柄和主軸間的軸向間隙不大于0.005mm。</p><p>　　c、控制單元2和4位并行處理器，高的數據傳輸率，能夠自動加減速。</p><p

18、>　　d、可靠性與加工工藝。提高機床的利用率和無人操作的可靠性，工藝模型有助于對切削條件和刀具壽命之間關系的理解。</p><p>　　常見國內外五軸高速加工中心與傳統(tǒng)普通數控機床相比，其機床結構、加工速度和性能更優(yōu)秀，如德國的DMC85高速加工中心，采用直線電機和電主軸，其主軸轉速達到30000轉/min，進給速度達到120m/min，加速度超過1g（重力加速度）。五軸高速機床要求高的主軸單元和冷卻系統(tǒng)、

19、高剛性的機床結構、安全裝置和監(jiān)控系統(tǒng)、以及優(yōu)良的靜動力特性等，其技術含量高，機床制造難度大等特點。目前國內的高速機床其性能與國外相比還存在一定的差距。</p><p><b>　　三、數控編程</b></p><p>　　數控機床是按照事先編制好的工程序自動對工件進行加工的高效自動化設備。在數控機床上加工零件時，要把加工零件的全部工藝過程、工藝參數和位移數據，以信息的

20、形式記率在控制介質上，用控制介質上的信息來控制機床，實現(xiàn)零件的全部加工過程。這里，我們把從零件圖紙到獲得數控機床所需控制介質的全部過程，稱為程序編制。</p><p>　　程序編制是數控加工的一項重要、工作，理想的加工程序不僅應保證加工出符合圖紙要求的合格工件，同時應該能使數控機床的功能得到合理的應用與充分的發(fā)揮，以使數控機床安全可靠及高效地工作。</p><p>　　數控機床程序編制的內

21、容主要包括：分析零件圖紙、工藝處理、數學處理、編寫程序單、制備控制介質及程序校驗。其具體步驟與要求如下：</p><p><b>　　1、分析零件圖紙</b></p><p>　　首先要分析零件圖紙。根據零件的材料、形狀、尺寸、精度、毛坯形狀和熱處理要求等確定加工方案，選擇合適的數控機床。</p><p><b>　　2、工藝處理&l

22、t;/b></p><p>　　工藝處理涉及問題較多，需要考慮如下幾點：</p><p>　　1）確定加工方案 此時應按照能充分發(fā)揮數控機床功能的原則，使用合適的數控機床，確定合理的加工方法。</p><p>　　2）刀具工夾具的設計和選擇 數控加工用刀具由加工方法、切削用量及其它與加工有關的因素來確定。數控機床具有刀具補償功能和自動換刀功能。</p

23、><p>　　數控加工一般不需要專用的復雜的夾具。在設計和選擇夾具時，應特別注意要迅速完成工件的定位和夾緊過程，以減少輔助時間。使用組合夾具，生產準備周期短，夾具零件可以反復使用，經濟效益好。此外，所用夾具應便于安裝，便于協(xié)調工件和機床坐標系的尺寸關系。</p><p>　　3）選擇對刀點 程序編制時正確地選擇對刀點是很重要的。“對刀點”是程序執(zhí)行的起點，也稱“程序原點”。對刀點的選擇原則是

24、：所選對刀點，應使程序編制簡單；對刀點應選擇在容易找正、并在加工過程中便于檢查的位置；引起的加工誤差小。</p><p>　　對刀點可以設置在被加工零件上，也可以設置在夾具或機床上。為了提高零件的加工精度，對刀點應盡量設置在零件的設計基礎或工藝基準上。</p><p>　　4）確定加工路線 加工路線的選擇主要應該考慮：盡量縮短走刀路線，減少空走刀行程，提高生產率；保證加工零件的精度和表面

25、粗糙度的要求；有利于簡化數值計算，減少程序段的數目和編程工作量。</p><p>　　5）確定切削用量 切削用量即切削深度和寬度，主軸轉速及進給速度等。切削用量的具體數值應根據數控機床使用說明書的規(guī)定，被加工工件材料，加工工序以及其它工藝要求，并結合實際經驗來確定。</p><p><b>　　3、數學處理</b></p><p>　　在工藝

26、處理工作完成后，根據零件的幾何尺寸，加工路線，計算數控機床所需的輸入數據。一般數控系統(tǒng)都具有直線插補、圓弧插補和刀具補償功能。對于加工由直線和圓弧組成的較簡單的平面零件，只需計算出零件輪廓的相鄰幾何元素的交點或切點（稱為基點）的坐標值。對于較復雜的零件或零件的集合形狀與數控系統(tǒng)的插補功能不一致時，就需要進行較復雜的數值計算。</p><p>　　4、編寫零件加工程序單</p><p>　　

27、在完成工藝處理和數值計算工作后，可以編寫零件加工程序單，編寫人員根據所使用數控系統(tǒng)的指令、程序段格式，逐段編寫零件加工程序。編程人員要了解數控機床的性能、程序指令代碼以及數控機床加工零件的過程，才能編寫出正確的加工程序。</p><p>　　5、制備控制介質及程序檢驗</p><p>　　程序編好后，需制作控制介質?？刂平橘|有穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶、軟磁盤和硬磁盤等。早期為穿孔紙帶，現(xiàn)在已

28、被磁盤所代替。但是，規(guī)定的穿孔紙帶代碼標準沒有變。</p><p>　　在單件和多品種小批量產品生產模式下，產品品種復雜多樣，個性化要求高，沒有統(tǒng)一的流程。數控加工技術在這種生產模式中日益發(fā)揮巨大作用人。數控加工技術不僅可以提高產品的加工精度和品質，而且可以大大縮短產品的生產周期。一般來講，數控加工技術中包括了數控加工機床、數控編程軟件和數控設備管理軟件。數控編程軟件（ＣＡＭ 軟件）在提高機床加工精度和加工效率方

29、面起著至關重要的作用。從目前數控加工設備的普及和發(fā) 展情況來看，數控編程軟件要具有如下特性。 </p><p>　?。保?軟件要操作簡單，易學易用 </p><p>　　隨著國內企業(yè)數控設備使用的不斷普及，對數控編程人員的需求量也不斷增加。那種需要長時間培訓才能要輸入或設置很多選項，過多的操作會給編程人員帶來很大的壓力，也帶 來了更多的出錯幾率。因此，操作簡單、易學易用是數控編程軟件普及的

30、關鍵。要做到操作簡單，易學易用不僅僅是軟件界面的問題，更多涉及到的是軟件的智能化處理算法。</p><p>　?。玻浖a生的刀具軌跡要保證高速、高精度和高效率 </p><p>　　數控加工技術是提高產品生產效率，縮短生產周期的關鍵手段。高速不僅僅是要求編程軟件支持高速加工機床，也要求編程軟件產生的刀具軌跡能夠發(fā)揮普通數控機床的最高切削速度。在保證高精度的前提下盡量減少空走刀和重復走刀。

31、這樣才能縮短加工時間。畢竟在中國市場上普通數控機床還占絕大多數，讓這些機床充分發(fā)揮加工能力是關鍵。 </p><p>　?。常浖ヅ涓鞣N數控系統(tǒng) </p><p>　　在中國市場上，存在著各種各樣的數控機床。因此，機床控制系統(tǒng)也是五花八門的，這就要求數控編程軟件要能夠匹配各種機床控制系統(tǒng)。 </p><p>　?。矗浖芘c整個生產流程集成</p>

32、<p>　　隨著中國企業(yè)的信息化程度不斷加深，數控編程已經不再是一個獨立的信息化孤島，而是整個企業(yè)生產流程中的一個環(huán)節(jié)和數據源。對數控編程軟件的要求也不僅僅是生成數控代碼，而是要求數控編程軟件要能夠與ＰＤＭ集成以快速得到設計數據，能夠產生工藝數據并與工藝管理系統(tǒng)集成，能夠與數控設備管理系統(tǒng)集成使數控設備能夠得到加工所需要的信息，這樣才能在某種程度上做到設計、工藝和制造過程的并行，縮短制造周期。</p><