五轴联动加工资料

数控基础之五轴联动发布时间:12-11阅读：166 装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了急迫的大量需求。机床是一个国家制造业水平的象征。而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况。长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度。 五轴联动数控是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力。 现在，大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。 五轴机床的种类有： 摇篮式、立式、卧式、NC工作台+NC分度头、NC工作台+90B轴、NC工作台+45B轴、NC工作台+ A轴、二轴NC 主轴等。 五轴联动数控系统的应用与价值 一、五轴联动数控机床的战略价值 装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了急迫的大量需求。机床是一个国家制造业水平的象征。而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况。长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度。特别是冷战时期，对中国、前苏联等社会主义阵营实行封锁禁运。爱好军事的朋友可能知道著名的“东芝事件”：上世纪末，日本东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床，结果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几个档次，使美国间蝶船的声纳监听不到潜艇的声音了，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，要惩处东芝公司。由此可见，五轴联动数控机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力。 现在，大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。所以，每当人们在设计、研制复杂曲面遇到无法解决的难题时，往往转向求助五轴数控系统。由于五轴联动数控机床系统价格十分昂贵，加之NC程序制作较难，使五轴系统难以“平民”化应用。但近年来，随着计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）系统取得了突破性发展，珊星公司等中国多家数控企业，纷纷推出五轴联动数控机床系统，打破了外国的技术封锁，占领了这一战略性产业的至高点，大大降低了其应用成本，从而使中国装备制造业迎来了一个崭新的时代！以信息技术为代表的现代科学的发展对装备制造业注入了强劲的动力，同时也对它提出更强要求，更加突出了机械装备制造业作为高新技术产业化载体在推动整个社会技术进步和产业升级中无可替代的基础作用。作为国民经济增长和技术升级的原动力，以五轴联动为标志的机械装备制造业将伴随着高新技术和新兴产业的发展而共同进步。中国不仅要做世界制造的大国，更要做世界制造强国！预计在不久的将来，随着五轴联动数控机床系统的普及推广，必将为中国成为世界最强国奠定坚实的基础！ 二、五轴联动加工中心 加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心，立式加工中心（三轴）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。目前高档的加工中心正朝着五轴控制的方向发展，五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。如配置上五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，更能够适宜象汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。（本期介绍立式五轴加工中心）立式五轴加工中心这类加工中心的回转轴有两种方式，一种是工作台回转轴。设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，在图示的位置上环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，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轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，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轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力 矩。 另一种是依靠立式主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还有带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点：我们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，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。这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内，当然这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高。 五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。五轴联动数控机床是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家工业化水平的标志。 国外五轴联动数控机床是为适应多面体和曲零件加工而出现的。随着机床复合化技术的新发展，在数控车床的基础上，又很快生产出了能进行铣削加工的车铣中心。五轴联动数控机床的应用，其加工效率相当于两台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资，大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。市场的需求推动了我国五轴联动数控机床的发展，CIMT99展会上，国产五轴联动数控机床登上机床市场的舞台。自江苏多棱数控机床股份有限公司展出第一台五轴联动龙门加工中心以后，北京机电研究院、北京第一机床厂、桂林机床股份有限公司、济南二机床集团有限公司等企业，相继开发了五轴联动数控机床对于五轴联动铣削加工技术的介绍发布时间:01-14阅读：7011引言 应用高速切削(HSC)技术加工制造模具，具有切削效率高、可以明显缩短机动加工时间，加工精度高、表面质量好因此可以大大缩短机械后加工如磨削、人工后加工和取样检验辅助工时等许多优点。国外制造某种汽车车门拉伸模具时，粗铣后应用高速铣削技术比传统铣削工艺增加一道半精铣工序约10h，但精铣时间从36h缩短到30h，并完全节省了其后的钳工平整走刀痕迹工作20h，钳工铲刮从30h减少到4h，钳工抛光从20h减少为10h，总工时从106h缩短到了54h。 生产实践表明，通过引进和应用高速铣削加工技术，尤其是相关的五轴联动铣削、计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助制造(CAM)和计算机数控(CNC)技术，有力推动了汽车模具制造的发展。 2五轴联动铣削 铣削加工能够获得良好的曲线型近似表面。使用球头刀具进行三轴联动铣削时，通过x、y、z3根轴方向的直线进给运动，可以保证刀具切到工件上任意坐标点，但刀具轴线的方向不可改变。刀具轴线上的点实际切削速度为零，刀具中央的容屑空间也很小。如果这些点参与切削，不利的切削条件会导致加工表面质量下降，刀刃磨损加剧，加工时间延长，使高品位的刀具材料得不到充分利用。 与三轴联动铣削比较，五轴联动铣削具有一系列优点。此时，通过2根旋转轴的运动，可以随时调整刀具轴线的方向，使铣刀轴线与工件表面夹角和实际切削速度保持不变。可以更为灵活地设定走刀路径，以满足对工件表面给定的峰谷深度的要求。其中使用球头刀具加工时，无论刀具相对工件处于什么方位，总是在半球面上分离切屑。因此每次总是切下几何形状和尺寸相同的切屑。发生改变的是分离切屑时刀刃的运动轨迹，以及由此而确定的刀刃接触条件和切削几何运动条件。也就是说，可以通过有目的地改变和确定刀具的方位，来影响切削过程和几何运动参数，并可从刀具磨损、表面质量和加工过程稳定性等方面入手优化二者，如右图所示。 当然，五轴联动铣削的数控编程比较复杂，对计算机数控(CNC)系统的计算能力和速度要求更高，在需要机床各直线进给轴作大幅度补偿运动的同时又要求避免发生干涉碰撞。因此在模具制造中，只能利用五轴联动铣削的优点加工一定范围内的工件。 五轴联动铣削可以令人满意地用于加工下凹较浅的零件，例如一种商用车车顶衬里的压铸模。当数学描述复杂的工件表面可以采用铣刀侧铣时，也能够应用五轴铣削加工。国外一家汽车制造配套厂家，利用五轴铣削的走刀行程同时加工出活动组合模具的外形轮廓和压边圈。但是，下凹深且局部形状复杂的模具一般不能够采用通常的五轴铣削加工，因为刀具可能会与工件发生干涉。 限于技术发展当前的水平，五轴联动切削机床2根旋转轴的运动速度和加速度较低，导致五轴联动铣削往往不能够充分发挥高速切削机床的性能和威力。此时，比较恰当的折中方案是3+2轴加工，既保证工件轮廓上各点切削时几何运动条件基本相同，又使轨迹运动速度和加速度比较高。实际运用中首先将工件轮廓划分为不同区域，在各区域内尽可能最优地调整刀具的方位。随后采用三轴联动插补方式切削加工工件各区域轮廓，虽然不能保证切削条件完全不变，但可以避免发生不利的情况例如刀具头部中央参与切削。 实践经验表明，使用圆柱立铣刀五轴联动铣削时走刀间距宽阔，对于所需要的人工后加工反而产生不良作用，因为工件轮廓上指明后加工位置的凸峰彼此间隔也远得多，人工打磨后形成起伏不平表面的可能性增大，这在汽车覆盖件模具是不允许的。相比之下，使用球头刀具走刀间距小得多，产生的近似轮廓上很接近的凹槽低谷，能够为人工打磨模具表面指明方位。 模具工业对机床工业提出了特殊要求，其中一个突出的发展趋势是五轴联动机床。统计数字显示，德国一些专门化机床生产厂家全部产品的50%80%提供给模具制造厂家，其中有至少16%最多达到50%60%的五轴联动控制机床。甚至还有厂家批量生产和提供最多可以六轴插补的数控机床，主要用于加工斜面和孔。除此之外，仍然有相当比例的仿型铣床提供给模具制造厂家，不过数量逐年下降。通用机床生产厂家也有很高比例的产品提供给模具制造厂家，但主要用于加工制造中小模具，如家用器具模具或玩具模具。其中五轴联动机床的比例不高，仅占大约3%5%。 机床的每一根运动轴都是一个误差来源。五轴联动机床上2根旋转轴运动的出现，使得加工精度比三轴联动机床较难达到指定数值，但0.1mm数量级的模具制造精度不难达到。机床制造厂家认为，精度问题不是决定性的，并没有阻挡投资生产五轴联动机床这一发展趋势。影响五轴联动机床运动精度和速度的首要因素是控制系统的性能，然后是驱动系统的性能，以及机械设计的水平。 3模具加工的自动控制 只有建立从产品设计、工艺规划、数控编程到铣削加工的全局观念，也即CAD/CAM技术集成一体，才能够为五轴联动铣削自由表面提供适宜的实现途径。拥有五轴联动机床的模具制造厂家，对单单只采用CAM技术的做法提出了批评。在实践中可以发现，汽车制造配套厂家有一小部分工作，是直接利用CAD数据经由数控铣削完成。而大部分的工件几何数据，还是由客户以仿型样件或设计模型的形式提供。不几年前，汽车工业开始要求完全放弃使用样件和模型来制造模具，尽管这一目标短时间内不容易实现。 与仿型铣削平均加工精度为0.6mm相比，数控铣削加工精度较高，可以控制在0.2mm以内。淘汰仿型加工和模具涂色配刮，还可以防止产生累积误差。例如单是温度的变化，就能够在大的样件上造成大于0.1mm的尺寸变动。再如当成品模型或其零件损坏后不可修复需要更换时，对连接表面的加工精度要求在5m之内，只能通过直接数控铣削获得。实际经验表明，这样生成的表面，需要的人工后加工工作量可以减少50%。这些实在的优点，对于模具制造具有决定性意义。因此，越来越多厂家完全直接应用数字控制技术，来制造全部模具。 经过努力开发，象三轴联动数控一样，在现代模具制造中五轴联动NC系统也允许操作者通过控制台旋钮让机床超速进给，以便尽可能提高刀具的移动速度。面对用户的抱怨，即经由CAD数据、CAM处理器、NC处理器和后处理器正常生成NC加工程序时，后继编辑和补偿所需的数据在机床控制系统中已经不复存在，控制系统制造厂家正在改变方法，把全部CAD数据直接传送到CNC系统中提供利用。这样一来，尽管NC加工程序中并未包含例如同切削点法向矢量有关的信息数据，NC系统仍然能够进行三维的刀具补偿。此外，还允许直接在机床旁方便地改变例如加工策略、刀路、使用的刀具、工件位置等工艺内容。仅仅这一项技术改进，可以成倍提高数控加工整个过程的运行速度。 针对NC编程语言影响过程运行的速度和精度的问题，有制造厂家把改进目标放到要让NC系统能够较为直接地处理曲面的CAD描述上，也即不经过NC编程语言中间搭桥。其结果，使NC系统处理程序块的正常时间降低到2ms，最短时间可达到0.5ms。这样一来，NC系统的速度不再是瓶颈，需要拖带沉重工件即汽车模具的进给驱动系统转而变为薄弱环节。 由于CAD数据经常存在缺陷或不完整，还有NC系统制造厂家便想方设法方便用户介入CAM过程，去发现和修正不正确的数据，但刀具补偿还是由NC系统完成。此时除了补偿刀具长度，还可以在狭小的公差范围内补偿小的、重磨的刀具的半径，并且不需要改编刀路。以上这些制造厂家目前提供的NC系统，都可以对五轴联动铣削加工补偿刀具长度和工件位置。 另外，对模具制造具有重要意义的速度预控制(前瞻)功能，已经成为现代CNC系统的一个标准特征。这一功能的设立，可以使NC系统预先处理多个即将到来的程序块，以便进给加速度和刀路速度与被铣削的工件轮廓相适应，不让进给速度在每一程序块终结时降低到零。在模具制造中常见的自由表面，往往要求加工时密布中间插值点，这时利用前瞻功能可以控制机床产生平滑的轨迹运动，同时保持很高的刀路速度。有制造厂家进一步开发成功具有适应前瞻功能的NC系统，能够在运行过程中作机床误差补偿。另一方面，由于需要的计算量太大，目前机床控制系统还不能够通过在线计算发现加工干涉情况，需要在今后继续努力改进。 4结束语 五轴联动高速铣削加工技术在汽车模具制造中应用日益广泛，推动了汽车模具制造的发展。应用五轴铣削加工需要注意到适用的工件形状、有利的加工方案和合适的刀具。只有通过综合运用计算机辅助设计/计算机辅助制造技术，尤其需要努力加强机床计算机数控系统的功能，才能够充分发挥五轴高速铣削加工的优点而取得成效MasterCAM在四轴、五轴加工中的应用技巧发布时间:08-22阅读：462MasterCAM8.0新增加了多轴加工模块，但在实际加工应用中数控机床的控制器是不同的，在后置处理时，如果在MasterCAM8.0提供的后置处理文件夹Posts中找不到适合数控机床控制器的后置处理文件，或者经过编辑某通用后置处理文件后，仍不能得到与数控机床控制器相适应的后置处理文件，那么就无法将多轴加工模块得到的NCI文件转化成实际加工中可用的NC程序。 笔者在工作实践中，通过适当的转化使某些常用、典型的四轴、五轴加工在MasterCAM8.0上得以实现，并且成功后置处理成适合加工实际的四轴、五轴数控铣床控制器格式的NC程序。 一、四轴加工的应用 切刀成型辊的数控加工主要是通过用平铣刀和锥度成型刀在XK-715M机床（带旋转轴的三坐标数控机床）上实现的。旋转轴上夹持的切刀成型辊相当于第四轴A轴，刀具在圆柱体上走空间曲线，就得到刀刃的型面。 那么，如何建出这条卷在圆柱体上的空间曲线呢？ 首先，在MasterCAM8.0中，根据切刀理论刃口展开图画出不同刀具的中心轨迹展开图，这是二维曲线。 然后，利用主菜单的转换卷筒串连，用串连的方式选取刀具轨迹曲线然后设定卷筒直径、旋转轴X及曲线放置在圆柱体上的位置确认后再作出与卷筒直径同样大小的圆柱曲面，作为4轴曲线加工的导动曲面，将空间曲线以投影方式投到圆柱面上进行加工。 虽然同样是FANUC系统，但XK-715M机床和加工中心控制器的所使用的格式稍有区别，所以在用MasterCAM后处理产生NC程序之前需修改后置处理文件MPFAN.PST。 方法如下：进入文件编辑*.PST找到系统默认的MPFAN.PST文件，先作备份，如另存为MPFAN-1.PST文件，然后打开，找到下面清单中的变量rot_ccw_pos : 1，将其改为rot_ccw_pos : 0，并存盘。 # Rotary Axis Settings # - vmc : 1 #0 = Horizontal Machine, 1 = Vertical Mill rot_on_x: 1 #Default Rotary Axis Orientation, See ques. 164. #0 = Off, 1 = About X, 2 = About Y, 3 = About Z rot_ccw_pos : 1 #Axis signed dir, 0 = CW positive, 1 = CCW positive之后，进入“NC管理”菜单更改后置处理文件选中MPFAN-1.PST文件，再对NCI文件进行后置处理，产生符合XK-715M机床的NC格式。 二、 五轴加工的应用 以在FIDIA系统的T20上加工双角度叉耳内外形为例，说明用MasterCAM8.0实现T20上带固定角度的五轴加工。 T20的A、B角的是这样定义的：A角绕X轴旋转，B角绕Y轴旋转，B角是主动角，A角附加在B角上。T20的工作台不旋转，刀头可以作A、B角旋转。在MasterCAM建模时，首先要确定零件实际装夹位置（不超过A、B角定义的范围），构图面选择要与零件实际装夹面一致。 加工叉耳内外形时，实际上是T20的刀头旋转固定双角度A、B角，然后走类似三轴的刀具路径，但这种路径相对装夹面来说却是三维空间线。 分析最终产生的T20固定角度五轴加工NC程序，首先要加入刀头的A、B角信息，然后再走出三维空间线。 1在MasterCAM 8.0中获得A、B角信息 按照上述装夹方式建出叉耳型面后，先作出待挖槽曲面的法失，然后在Front构图面（前视图）分析该法矢的信息，其中的角度信息就是我们要求的B角值；再在3D构图面状态，求出该法矢与Y轴的夹角，就得到A角的值。 2在MasterCAM 8.0中得到实际可用的刀具路径和NC程序 先把待挖槽曲面定义成新的构图面，如Number 13，存储后将刀具平面也选为13，然后象作三轴加工一样作出刀具路径。所得到的刀具路径不能直接进行后置处理，因为它带双角度，不能或不一定能后置处理成适合T20 FIDIA控制器的程序格式。所以只有把该刀具路径经模拟后存成几何图素，然后在Top构图面和Top刀具面的状态下，选择该几何图素，作 “Contour”加工。加工参数“计算机补偿”和“控制器补偿”均选“OFF”，“刀尖补偿”选择与上次刀具路径一致。如此得到的新刀具路径就相当于帮系统把双角度刀具路径转化成原始构图面（T面）中的刀具路径，将其进行通用后置处理后就得到T20刀头旋转固定A、B角后应走的NC程序。五轴加工模具用HSC立铣刀及刀柄发布时间:08-18阅读：409为了提高模具加工效率，降低制造成本，可以采用五轴加工中心和五轴CAM加工技术，其优势是能选择最佳加工条件、提高加工精度和加工质量、实现工序集约化等。为达到这一目标，优化的高精度刀具和高性能刀柄（或刀夹）是不可或缺的要素。下面简要介绍一株式会社新开发的高速切削（HSC）硬质合金立铣刀和powRgrip强力夹紧刀柄。 （1）HSC硬质合金立铣刀 HSC硬质合金立铣刀性能卓越，能显著降低加工成本，在高速铣削时能充分发挥五轴加工中心的功能，大幅度缩短加工时间。 HSC硬质合金立铣刀具有以下特点：高性能硬质合金基体；可稳定进行高速铣削的切削刃；具有高耐热性的TiAlN涂层；刀具颈部直径小于柄部直径；刀柄精度：h5；立铣刀外径精度：8mm以下：00.02mm；8mm以上：00.04mm；球头半径精度：0.01mm；可铣削HRC66及以下硬度的所有工件材料；16mm立铣刀最多有16个齿。 （2）powRgrip强力夹紧刀柄 为了充分发挥HSC硬质合金立铣刀的加工性能，提高刀柄的刚性及精度十分重要，这也是实现高水平模具加工的课题之一。新开发的PowRgrip强力夹紧刀柄是一种高刚性、高精度刀具夹紧系统，它以液压方式将有微小锥度的弹簧夹头压入刀柄来实现刀具夹紧，解决了过去存在的热压配合装刀时间长、对刀具柄部材料有限制、刀柄寿命短等问题，提高了刀柄的刚性和径跳精度。 powRgrip强力夹紧刀柄具有以下特点：换刀时间短（10秒以内）；重复使用寿命长（20000次）；紧固转矩大（20mm柄部：380Nm）；径跳精度高（3m以下）；夹持性能与刀具材质无关；刀夹悬伸调整精度高（10m以内）；吸收切削振动能力强。 加工实例：使用16mm立铣刀铣削S45C碳钢，转速6000r/min，每齿进给量0.1mm。分别对采用热压配合夹具、液压夹具和powRgrip刀柄的已加工表面粗糙度Ra进行了检测，结果表明，与热压配合夹具相比，采用powRgrip刀柄的刀具寿命提高了180%，换算为工具费用，可节省成本44%。五轴加工中心进行整体加工发布时间:07-29阅读：395要想经济地加工汽轮机和压缩机的叶片，对机床和刀具都提出很高的要求。Starrag-Heckert公司研制的BX 151 Win-Win五轴加工中心，可以满足对精度、表面质量和降低工件成本提出的高要求（图2）。用于整体加工汽轮机和压缩机叶片的五轴加工中心，其机械方案的新颖之处在于主轴向前倾斜。由于回转点位于铣刀头上，因而在回转运动时就不存在与机座碰撞的危险。因此，其他轴在回转时的补偿运动也限制在最小程度。由于需要运动的质量极小，因而可以达到很高的加速值。力的切入点紧贴机架工作面。切削分力总是直接被主轴吸收。高刚度的机床结构具有平衡稳定性，可减轻回转驱动装置的负荷，因而是满足高精度加工的重要前提条件。图2 由于向前倾斜的主轴的回转点位于铣刀头部位，因而在回转运动时就不存在与机座碰撞的危险装有复合轴承的主轴转速达15000r/min利用这种加工中心，蒸汽轮机和燃气轮机的叶片的铣削工作可以在一次性夹紧后完成全套加工（图3）。对于汽轮机叶片，该加工中心可以用800 mm的中心距加工几乎所有的叶片部位（流动区、叶面、进口唇缘和出口唇缘以及叶脚和叶顶部的过渡区）。叶片端部和叶片根部用标准刀具进行加工。叶片可以直接在加工中心上进行裁切。除了用于加工汽轮机叶片外，该机床还适合于专用的五轴加工，如用于加工铣削量极大的成套旋转部件，单级或多级BLISKS以及结构部件等。图3 汽轮机加工和压缩机叶片上几乎所有的部位都可以放在同一台加工中心上进行加工HSC电机主轴也是Starrag-Heckert公司自行研制的、主轴上装有复合轴承、其冷却装置以及HSK接口。主轴的异步电机采用矢量控制，功率为27 kW。主轴的最大转数为15000r/min。由于机床的刚性非常高，因而主轴的潜在功率可以全部发挥出来，既可达到很高的切削速度，也可以达到大扭矩和高功率。这对提高利用大直径刀具进行粗加工的经济效益将产生积极的影响。在加工叶片时，高加速度比高速度更重要：0.5g的加速度值对于这种规格的机床来说是非常引人注目的。这样它既适合于初步精加工，也适用于最后的精加工。不会产生振动痕。由于主轴的回转运动是围绕铣刀头进行的，因而也就无需像别的机床那样的补偿运动了。这样就提高了加工精度和切削刚度，并可降低回转驱动装置的负荷。所有机床组件相互配合加工中心装配有控制装置Sinumerik 840 D以及与之相匹配的伺服传动和主传动装置。同机床上所有其他组件一样，伺服传动和控制装置以及直接的球螺纹传动相互间经过精密的配合。图4 五轴加工中心BX 151 Win-Win的轴线配置十字滑板和机架安装在牢固的机座上，机架是牢固地固定在基础上的（图4）。机座支承着两个十字刀架，而机架则以回转驱动装置的倾斜安装面引导垂直滑板。机床上安装有液压重力平衡装置，负责对所有垂直运动的质量进行补偿。横向滑板的驱动安装在机架上，位于铣刀头的中心位置。4条大规格的直线滑柱导板负责横向滑板无间隙而高精度地滑行，横向滑板则支承着纵向导轨和纵向驱动装置。环形驱动装置密无间隙，尾座则可纵向移动，工件则夹在二者之间。机床采用刚性结构，具有杰出的减振性能，可以进行稳定的切削，过程稳定性高，刀具寿命长。工作间的切屑滑板倾斜安装，可以使切屑以及冷却剂顺畅流动。工件中央站接口符合Starrag-Heckert的托盘系统，与该制造厂家的所有机床全部兼容。刀具架装刀有单独的装刀单元，在加工过程中也可以进行操作。刀具箱可随时装卸环形刀具箱装有换刀器，直接安装在机床底座的机架旁边。刀具箱在加工期间可以随时装卸。装料单元为标准配置。其间的行走时间短，换刀时间短，因而从切削到切削之间的时间短。主操作门上装有安全玻璃，因而操作员在观察或输入过程数据的同时，也可以观察到铣削过程（图5）。图5 通过安装安全玻璃的机器门可以在观察或输入过程数据的同时观察铣削过程加工中心的铣削结果完全满足客户的愿望。用这种新型五轴加工中心，Starrag-Heckert使加工汽轮机叶片的机床系列臻于完善。这样，现有的SX和HX系列单主轴五轴加工中心也得到了补充。GE Fanuc五轴车铣CNC系统16i Model B 18i MB5系列发布时间:04-30阅读：545五轴铣和车加工可以在一次夹紧后做多侧面加工，这样可以节省辅助时间，并防止因多次夹紧造成的不精确。此外，刀具可以更好地到达难以进行操作的部位，而且加工迎角可以任意选择。GE Fanuc公司的计算机数字控制装置（CNC）为此提供了扩展的功能，利用这些功能，甚至极为复杂的加工过程也可以实现。 GE Fanuc公司的16i Model B 18i MB5系列CNC，为五轴铣和车加工等复杂加工进行了优化。对于更高的性能要求，可以采用30i 系列和31i A5系列CNC。所有这些控制装置都可提供扩展的五轴功能，利用这些功能，甚至极为复杂的加工过程也是可以实现的。同时，这些功能支持各种机器配置，不管是安装刀具回转工作头，还是采用圆形工作台，或者两者都用。作为特殊的五轴功能，可以做手动进给（Manual Feed）、刀具长度补偿（TCP，Tool Center Point Control）、刀具方向补偿（Tool Posture Control）和刀具半径补偿（TRC，Tool Radius Compensation）。即使极为复杂的加工过程都可以使用这种适合于五轴加工的控制器得到实现手动进给便于动作控制 手动进给是一项很重要功能，它可以在出现紧急情况下，如刀具断裂时很好地用手工操作刀具和工件。三轴加工时，操作人员可以简单地把Z轴上的主轴和刀具撤回。而在五轴加工时这一点就很难做得到。利用“手工进给”，机器操作员可以简单地按一下按钮，把刀具撤回、或者将其运行到与刀具方向正交的方向上。这样可以把刀具可靠地撤回到初始位置或安全位置。 刀具长度补偿主要用于在刀具头做回转运动时，使不同长度的刀具也能精确地沿希望的路线进行运动。为此，控制装置考虑到了刀具沿刀具轴线的中心点。主轴头在运行期间执行回转运动，使刀具的中心点保持在希望的运动路线上，因而近似地体现旋转运动的轴线。以这样的方式可以遵守定义的刀具路径。除了线性运动之外，这种功能还支持圆形内插。 刀具方向补偿（图1）是上面所提到的围绕刀具中心点的刀具长度补偿的扩展。这项功能大大有助于侧面加工，比如当铣切加工时套筒或锥体的迎角处于不断变化中。同时，允许的运动方向又取决于相应的平面。这可以防止由于在行走运动时侧面切割而出现不希望出现的材料减少。图1 当采用可变角铣削加工套筒或锥体时，刀具方向补偿在侧面加工中大有用处刀具半径补偿是五轴加工刀具补偿的又一种形式。刀具的半径补偿可以将工件编程的几何形状按刀具的实际直径进行平衡：刀具较小时，在进给比刀具较大时使进给稍小，由此得到的轮廓因而恰好是所希望的尺寸。另外还可以避免出现不希望出现的内角相切（Interference Check）。CNC控制装置还可以发现刀具即将发生的方向变化，并可及时地减少进给，以便在曲线中不致铣削过度。 工件位置补偿（图2）（Workpiece Setting Error Compensation）、机器误差补偿（Machine Error Compensation）、倾斜工作面上加工（TWP,Tilted Working Plane）以及刀具交会点补偿（Tool Cutting Point Compensation）等4种功能将有更多的改进。当工件在加工过程之后取下时，比如进行测量，然后还要继续进行加工，就用上工件位置补偿（图2）了。同原先的夹紧相比，较小的尺寸误差是不可避免的。这种功能可以把测量结果作为修正因数纳入到后面的加工过程中。图2 工件位置补偿可以把测量结果用于后面加工过程的修正因数CNC还可以对各种机器误差进行补偿。对五轴加工特别有利的功能是，对旋转轴的线性错位进行自动补偿。迄今为止，这种轴距必须在NC编程时加以采集和考虑，现在，使用者可以把这些调整存储在控制装置中，而不必在每个程序中都加以考虑。此外，机床制造厂家还可以对机器的误差沿刀具轴线进行额外的温度补偿。 对于简单的加工形式如钻或切螺纹，可以利用倾斜的工作面。旋转的轴可以为此而调整并固定在所希望的角度。然后可用三条直线轴进行加工。而且也不必像简单的三轴机床那样采用特殊的夹紧装置。 “Tilted Working Plane”这一特点可提供倾斜工作面上加工的功能。 减轻NC编程工作的一项有用的功能是刀具切点补偿。这里涉及到刀具切入材料的切点计算。特殊的刀具如梯形铣刀或圆角铣刀需要有特殊的修正值，这些值通常是输入到CAM软件里的。GE Fanuc公司的新型CNC是在测量之后，把这些值永久保存在控制器里，按一下按键即可调用。这不仅简化了NC编程，而且也可以不必改变NC程序而在短时间内更换刀具。 纳米内插实现精密的表面 由于性能优越，GE Fanuc公司的新型CNC控制器为五轴机床提供了许多优点。这样复杂的机床当然也可以利用传统三轴机床所使用的CNC控制器后来研制出的新产品。 比如纳米内插法（图3）就是GE Fanuc公司CNC控制器制造极精密表面质量的一大强项，这在刃具和模具制造方面很有市场。控制器利用这种功能生成以纳米为单位的定位指令，因而也才使数字精密伺服系统应运而生。利用这种内插，不必对最小的指令增量做四舍五入，高级伺服系统即可对刀具的轨迹进行极为均匀的跟踪，因而在进给快和转数高的情况下可以达到最佳的表面。图3 纳米内插帮助制作极为精细的表面质量，图中展示了利用X/Y轴为3：1的比例进行锥体加工 （左：传统结构法；右：纳米内插法）一种被称作纳米精磨的功能可用于线性程序，现在许多机床制造厂家仍然在使用这种功能。这样，这些线性程序被自动转换为Nurbs曲线，这将大大有助于对表面进行更均匀的加工，并使工艺过程运动“更加流畅”。 当然，Nurbs曲线和表面的最大意义在于对自由模表面的铣削加工（图4）。上面介绍的控制器可以从CAD/CAM系统中引进Nurbs曲线，并可做极为精密的内插，使制成的工件与CAD的几何尺寸完全一致。同时也充分利用了一些数学特征，如连续过渡。它们可以使工艺过程运动流畅自如，使表面均匀平滑。图4 五轴加工十分理想地适合于自由模表面加工，比如在气轮机加工或在刃具模具制造中经常使用提高生产率的一项有利功能是机床条件选择功能（Machining-Condition-Selecting- Funktion）。根据对精度的要求，NC程序可以在控制器上分110个级别按最高精度或最大速度进行优化，而且可以对所有程序和加工过程分别进行优化处理。比如可以在粗加工时可以给速度以很高的优先性，而在精加工时则可调到很高的精度。 数据流的恒定 在对自由模面进行高速加工时，有许许多多的小块需要以快速顺序进行加工。这时，预测功能就发挥重要的作用：它负责使控制器随时拥有稳定的数据流，使加工过程能够不间断地进行。前面介绍的这种控制器可以中间存储1000个小块，随时准备被调用。虚拟制造在复杂曲面五轴联动加工中的应用发布时间:04-30阅读：490一、引言 复杂曲面的五轴联动数控加工技术是当今制造业中的高新技术，它是一个涉及到计算机三维造型、CAM自动编程技术、测量技术、制造工艺学、切削仿真技术等多学科交叉的综合技术，因此具有较高的技术难度。但由于五轴联动加工技术所具有的高精度、高效率、加工适应性强等特点，也使它能够更好地适应复杂曲面的数控加工。如今，五轴联动加工技术已经在发电设备制造业、飞机制造业、轮船制造业中得到了广泛的应用。 对于复杂曲面的五轴联动数控编程来说，由于曲面复杂，且大多为不可展开的雕塑曲面，在编程时容易产生不易察觉的过切等干涉现象。并且，在五轴联动数控机床的加工中，NC铣头的旋转或工件旋转很容易发生干涉和碰撞现象，造成工件、刀具甚至机床的损坏。因此，在实际加工中，即使很有经验的工程师也需要进行试切，对程序进行反复的调试，造成了人力、时间、能源和材料的浪费，且效率低下。 虚拟制造系统VMS（VirtualManufacturing System)是实际制造系统在不消耗能源和资源的信息世界里的完全映射。虚拟制造是在上世纪80年代由美国率先提出的，是对真实产品制造的动态模拟，是一种在计算机上进行而不消耗物理资源的模拟制造软件技术。 虚拟制造机床系统是现实制造机床系统在虚拟空间的映射，它是由虚拟的机床刀具夹具工件所组成的虚拟系统，具备现实机床加工系统的全部功能、特征和行为，能够完成现实机床加工系统同样的虚拟生产任务。通过虚拟制造机床对复杂曲面的五轴联动数控加工进行仿真，能够真实地反映制造加工过程中的过切、碰撞等干涉现象，为程序的修改提供了数据；能够对加工程序进行反复调试，在不消耗材料、能源，不占用机床时间的情况下得到正确的数控加工程序。虚拟制造机床系统能够提供加工过程中的关键数据，如优化后的切削参数、总的加工时间等，通过它们可以评价加工策略的优劣并改进加工方案；能够进一步对加工程序进行优化，缩短切削加工过程中的空行程走刀时间和调整复杂曲面不同位置的加工进给率。 二、虚拟制造机床系统 针对复杂曲面五轴联动系统加工存在的问题，运用商业软件建立虚拟制造机床系统，需要进行以下的技术研究。 1. 虚拟制造机床的构成 虚拟制造机床要能够完全真实地反应现实机床，无论是在机床拓扑结构、外型尺寸，还是运动功能方面都同现实机床一致或相似。虚拟制造机床的建立主要包括机床几何结构、控制系统和刀具库的建立。虚拟机床要能够真实地反应现实机床，首先要求有同样的机床拓扑结构，其次机床各运动轴的几何尺寸要求同现实机床一致，特别是五轴联动机床有两个旋转轴的NC铣头和Z轴滑枕的尺寸更需要同现实机床完全一致，另外，机床各运动轴的运动极限及相对关系也要同现实机床一致。控制系统的建立目的是使虚拟控制系统具备同现实系统相同的功能，并且能够对机床功能，如G代码、M代码等功能代码进行定义，并实现对虚拟机床的控制功能。建立机床刀具库主要是建立用于实际制造系统中相同尺寸规格的各种刀具，以真实模拟切削的过程。 2. 机床仿真及校验 在虚拟制造机床上添加工件毛坯、刀具和夹具，设置编程坐标系和机床坐标系的相对位置关系，加载加工程序后，就可以实现对现实机床加工的仿真了。仿真能够真实地模拟出过切、碰撞等各种现象，并发出警报，标明发生该现象的位置。 3. 程序优化 程序优化首先需要针对不同的产品材料和刀具材料建立个性化的程序优化库，这个优化库需要通过做大量的切削试验来建立。在程序优化时根据不同的加工材料和刀具，选择优化库中的实例对程序进行优化。通过优化后，在复杂曲面不同的加工区域自动设置不同的切削进给率，来保持每齿切削量和金属去除率的恒定，从而提高加工效率。 三、虚拟制造在复杂曲面加工中的应用实例 水轮机叶片的加工属于大型复杂雕塑曲面的加工，其毛坯体积大，材料价格昂贵，采用虚拟制造技术对加工过程进行加工仿真，能够很好的规避各种制造中的风险，提高零件加工质量和加工效率。用虚拟制造技术对水轮机叶片进行机床仿真的流程如图1所示。图1 水轮机叶片加工仿真流程示意图我们应用VERICUT机床仿真软件，通过它在计算机上建立虚拟制造机床，就能够实现对水轮机叶片加工过程的机床仿真、程序校验以及程序优化。下面以某混流式水轮机叶片的机床仿真为例介绍运用VERICUT软件实现复杂曲面虚拟机床制造的方法。 1.FKSA1800机床模型系统的建立 FKSA1800是某水轮机制造厂的一台单臂五轴联动铣床，具有X、Y、Z三个直线轴和B、C两个旋转轴。Y轴依附于Z轴，旋转轴C轴依附于Z轴，旋转轴B轴依附于C轴，属于Head-Head型的五轴联动机床。工作台大小为1.6m4m，X、Y、Z轴行程分别为3m、2m、1m，C轴行程0360，B轴行程-105105。 通过VERICUT软件首先建立机床的拓扑结构，然后添加机床以及各运动轴的三维几何实体。对于形状复杂的几何实体，如两轴N C铣头等，可通过C A D软件造出实体模型，再通过数据接口读入到VERICUT，并按正确的位置关系装配。FKSA1800的控制系统为SIEMENS840D的系统，VERICUT带有多种控制系统模板库，可以挑选适当的控制系统，并根据需要，运用VERICUT自带的编程语言，添加适当的G代码和M代码功能。加工叶片的刀具为100R10面铣刀、63立铣刀、6钻头等，在VERICUT中定义这些所需刀具。运用VERICUT软件建立的FKSA1800虚拟机床模型如图2所示。图2 FKSA1800虚拟机床模型2.复杂曲面五轴联动加工机床仿真、校验以及程序优化 在V E R I C U T上仿真时，调入FKSA1800机床，添加毛坯、夹具，加载加工程序以及所需刀具就可以进行加工仿真。通过机床仿真能够真实地反映出水轮机叶片实际加工情况，能够检查过切、碰撞等现象，能够计算加工所需时间，并且能够通过软件的分析功能检查仿真加工后水轮机叶片的尺寸精度，也可以调入设计模型同仿真加工后的模型进行比较，对采取不同加工方案和加工策略的程序进行仿真。根据加工仿真得到的数据可以判别加工方案和加工策略的优劣，有利于工程师对加工方案的选取。通过仿真能够发现程序中存在的问题，并在实际加工发生之前进行修改，大大提高了编程效率，节约了成本。应用VERICUT进行程序优化，需要事先根据以往的加工经验和加工试验建立适合水轮机叶片加工的程序优化实例库，仿真时选择合适的程序加工优化实例（根据刀具直径、材料，零件材料等）对程序进行优化，改变程序不同位置的进给率以保持每齿切削量和金属去除率的恒定。对优化后的程序可以再进行切削仿真以检验其是否令人满意，觉得不合适可以适当调整参数再优化，直到满意为止。用VERICUT水轮机叶片进行切削仿真和机床仿真如图3所示。图3 水轮机叶片切削仿真和机床仿真四、结束语 运用虚拟制造技术对复杂曲面的五轴联动数控加工进行仿真，能够解决在数控编程和现实制造中存在的很多问题，解决了对人力、时间、资源的浪费问题，并且提高了加工效率，缩短了制造周期，在实际应用中起到了良好的作用。MasterCAM8.0在四轴、五轴铣床加工中的应用与技巧发布时间:04-30阅读：483MasterCAM8.0新增加了多轴加工模块，但在实际加工应用中数控机床的控制器是不同的，在后置处理时，如果在MasterCAM8.0提供的后置处理文件夹Posts中找不到适合数控机床控制器的后置处理文件，或者经过编辑某通用后置处理文件后，仍不能得到与数控机床控制器相适应的后置处理文件，那么就无法将多轴加工模块得到的NCI文件转化成