多軸加工準確地說應該是多坐標聯動加工。當前大多數控加工設備最多可以實現五坐標聯動，這類設備的種類很多，結構 類型和控制系統都各不相同。
基本介紹
- 中文名：多軸加工
- 別稱：多坐標聯動加工
- 種類：兩種
- 難點：三種
定義,多軸加工技術,五軸車銑技術,加工技術難點,展望,
定義
在三坐標銑削加工和普通的兩坐標車削加工中，作為加工程式的NC代碼的主體即是眾多的坐標點，控制系統通過坐標點來控制刀尖參考點的運動，從而加工出需要的零件形狀。在編程的過程中，只需要通過對零件模型進行計算，在零件上得到點位數據即可。而在多軸加工中，不僅需要計算出點位坐標數據，更需要得到坐標點上的矢量方向數據，這個矢量方向在加工中通常用來表達刀具的刀軸方向，這就對計算能力提出了挑戰。目前這項工作最經濟的解決方案是通過計算機和CAM軟體來完成，眾多的CAM軟體都具有這方面的能力。但是，這些軟體在使用和學習上難度比較大，編程過程中需要考慮的因素比較多，能使用CAM軟體編程的技術人員成為多坐標加工的一個瓶頸因素。
其次，即使利用CAM軟體，從目標零件上獲得了點位數據和矢量方向數據之後，並不代表這些數據可以直接用來進行實際加工。因為隨著工具機結構和控制系統的不同，這些數據如何能準確地解釋為工具機的運動，是多坐標聯動加工需要著重解決的問題。以五坐標聯動的銑削工具機為例，從結構類型上看，分為雙轉台、雙擺頭、單擺頭/單轉台三大類，每大類中由於工具機運動部件的運動方式的不同而有所不同。以直線軸Z軸為例，對於立式設備來說，人們編程時習慣以Z軸向上為正方向，但是有些設備是通過主軸頭固定而工作檯向下移動，產生的刀具相對向上移動實現的Z軸正方向移動；有些設備是工作檯固定而主軸頭向上移動，產生的刀具向上移動。在刀具參考坐標系和零件參考坐標系的相對關係中，不同的工具機結構對三坐標加工中心沒有什麼影響，但是對於多軸聯動的設備來說就不同了，這些相對運動關係的不同對加工程式有著不同的要求。由於工具機控制系統的不同，對刀具補償的方式和程式的格式也都有不同的要求。因此，僅僅利用CAM軟體計算出點位數據和矢量方向並不能真正地滿足最終的加工需要。這些點位數據和矢量方向數據就是前置檔案。我們還需要利用另外的工具將這些前置檔案轉換成適合工具機使用的加工程式，這個工具就是後處理。
多軸加工技術
數控加工技術作為現代機械製造技術的基礎，使得機械製造過程發生了顯著的變化。現代數控加工技術與傳統加工技術相比，無論在加工工藝，加工過程控制，還是加工設備與工藝裝備等諸多方面均有顯著不同。我們熟悉的數控工具機有XYZ三個直線坐標軸，多軸指在一台工具機上至少具備第4軸。通常所說的多軸數控加工是指4軸以上的數控加工，其中具有代表性的是5軸數控加工。
多軸數控加工能同時控制4個以上坐標軸的聯動，將數控銑、數控鏜、數控鑽等功能組合在一起，工件在一次裝夾後，可以對加工面進行銑、鏜、鑽等多工序加工，有效地避免了由於多次安裝造成的定位誤差，能縮短生產周期，提高加工精度。隨著模具製造技術的迅速發展，對加工中心的加工能力和加工效率提出了更高的要求，因此多軸數控加工技術得到了空前的發展。
隨著數控技術的發展，多軸數控加工中心正在得到越來越為廣泛的套用。它們的最大優點就是使原本複雜零件的加工變的容易了許多，並且縮短了加工周期，提高了表面的加工質量。產品質量的提高對產品性能要求提高，例如車燈模具：汽車大燈模具的精加工：用雙轉台五軸聯動工具機加工，由於大燈模具的特殊光學效果要求，用於反光的眾多小曲面對加工的精度和光潔度都有非常高的指標要求，特別是光潔度，幾乎要求達到鏡面效果。採用高速切削工藝裝備及五軸聯動工具機用球銑刀切削出鏡面的效果，就變得很容易，而過去的較為落後的加工工藝手段就幾乎不可能實現。採用五軸聯動工具機加工模具可以很快的完成模具加工，交貨快，更好的保證模具的加工質量，使模具加工變得更加容易，並且使模具修改變得容易。在傳統的模具加工中，一般用立式加工中心來完成工件的銑削加工。隨著模具製造技術的不斷發展，立式加工中心本身的一些弱點表現得越來越明顯。現代模具加工普遍使用球頭銑刀來加工，球頭銑刀在模具加工中帶來好處非常明顯，但是如果用立式加工中心的話，其底面的線速度為零，這樣底面的光潔度就很差，如果使用四、五軸聯動工具機加工技術加工模具，可以克服上述不足。
多軸加工的類型
加工中心一般分為立式加工中心和臥式加工中心。三軸立式加工中心最有效的加工面僅為工件的頂面，臥式加工中心藉助迴轉工作檯，也只能完成工件的四面加工。多軸數控加工中心具有高效率、高精度的特點，工件在一次裝夾後能完成5個面的加工。如果配置5軸聯動的高檔數控系統，還可以對複雜的空間曲面進行高精度加工，非常適於加工汽車零部件、飛機結構件等工件的成型模具。根據迴轉軸形式，多軸數控加工中心可分為兩種設定方式
（1）工作檯迴轉軸。
這種設定方式的多軸數控加工工具機的優點是：主軸結構比較簡單，主軸剛性非常好，製造成本比較低。但一般工作檯不能設計太大，承重也較小，特別是當A 軸迴轉角度≥90°時，工件切削時會對工作檯帶來很大的承載力矩。
（2）立式主軸頭迴轉。
這種設定方式的多軸數控加工工具機的優點是：主軸加工非常靈活，工作檯也可以設計得非常大。在使用球面銑刀加工曲面時，當刀具中心線垂直於加工面時，由於球面銑刀的頂點線速度為零，頂點切出的工件表面質量會很差，而採用主軸迴轉的設計，令主軸相對工件轉過一個角度，使球面銑刀避開頂點切削，保證有一定的線速度，可提高表面加工質量，這是工作檯迴轉式加工中心難以做到的。
多軸加工的特點
採用多軸數控加工，具有如下幾個特點：
（1）減少基準轉換，提高加工精度。
（2）減少工裝夾具數量和占地面積。
儘管多軸數控加工中心的單台設備價格較高，但由於過程鏈的縮短和設備數量的減少，工裝夾具數量、車間占地面積和設備維護費用也隨之減少。
（3）縮短生產過程鏈，簡化生產管理。
多軸數控工具機的完整加工大大縮短了生產過程鏈，而且由於只把加工任務交給一個工作崗位，不僅使生產管理和計畫調度簡化，而且透明度明顯提高。工件越複雜，它相對傳統工序分散的生產方法的優勢就越明顯。同時由於生產過程鏈的縮短，在制品數量必然減少，可以簡化生產管理，從而降低了生產運作和管理的成本。
（4）縮短新產品研發周期。
對於航空航天、汽車等領域的企業，有的新產品零件及成型模具形狀很複雜，精度要求也很高，因此具備高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力的多軸數控加工中心可以很好地解決新產品研發過程中複雜零件加工的精度和周期問題，大大縮短研發周期和提高新產品的成功率。
五軸車銑技術
五軸車銑技術是多軸加工技術的典型，五軸車銑中心是五軸車銑技術的載體，是指一種以車削功能為主，並集成了銑削和鏜削等功能，至少具有3個直線進給軸和2個圓周進給軸，且配有自動換刀系統的工具機的統稱。這種車銑複合加工中心是在三軸車削中心基礎上發展起來的，相當於1台車削中心和1台加工中心的複合，是2O世紀90年代發展起來的複合加工技術，是一種在傳統機械設計技術和精密製造技術基礎上，集成了現代先進控制技術、精密測量技術和CAD/CAM 套用技術的先進機械加工技術。五軸車銑中心的先進性表現在其設計理念上。在通常的機械加工概念中，1個零件的加工，少則一兩工序，多則上百工序，要經過多台設備的加工來完成，要準備刀具、工裝夾具。對複雜的零件來說，有的一套工裝的準備就需要三、五個月的時間，即使不考慮經濟成本，三、五個月的時間很可能會錯過許多商品機遇和戰略機遇。在汽車、家電等批量生產行業，為了提高效率和自動化水平，廣泛採用自動化生產線，龐大的物流系統構成了自動線很主要的一部分，同時是一個占錢、占地的部分，也是故障多發的部分，對複雜形面的加工，物流更是一個大問題。零件的多次裝夾和基準轉換，有時帶來不必要的工序，同時也使零件加工精度喪失。五軸車銑複合加工中心從設計概念上解決了這個問題，它是一次裝夾，完成加工範圍內的全部或絕大部分工序，實現了從複合加工到完整加工的飛躍。
五軸車銑複合加工中心從產生至今，已有近20年的歷史，技術已經成熟並被國內外用戶接收和認可。從趨勢上看，主要向以下幾個方向發展：
(1)更高工藝範圍。
通過增加特殊功能模組，實現更多工序集成。例如將齒輪加工、內外磨削加工、深孔加工、型腔加工、雷射淬火、線上測量等功能集成到車銑中心上，真正做到所有複雜零件的完整加工。
(2)更高效率。
通過配置雙動力頭、雙主軸、雙刀架等功能，實現多刀同時加工，提高加工效率。
(3)大型化。
由於大型零件一般多是結構複雜、要求加工的部位和工序較多、安裝定位也較費時費事的零件，而車銑複合加工的主要優點之一是減少零件在多工序和多工藝加工過程中的多次重新安裝調整和夾緊時間，所以採用車銑中心進行複合加工比較有利。所以目前五軸車銑複合加工中心正向大型化發展。例如瀋陽工具機的HTM125系列五軸車銑中心，迴轉直徑達到1250mm，加工長度可以達到10000mm，非常適合大型船用柴油機曲軸的車銑加工。
(4)結構模組化和功能可快速重組
五軸車銑中心的功能可快速重組是其能快速回響市場需求，並能搶占市場的重要條件，而結構模組化是五軸車銑中心功能可快速重組的基礎。一些技術先進的廠家(如德國DMG、奧地利的WFL、日本的MAZAK公司等)的許多產品都已實現結構模組化設計，並正在向如何實現功能快速重組的方面努力。
五軸車銑技術的先進理念是提高產品質量和縮短產品製造周期。因此，這種技術在軍工、航空、航天、船舶以及一些民用工業領域中的套用具有相當的優勢，尤其在航空航天領域一些形狀複雜的異形零件的加工中更具優勢，因此國外早已在航空航天領域大批採用此類設備代替傳統的加工設備，而國內在這方面則比較落後，因此還需借鑑國外的先進經驗，爭取在五軸車銑技術的套用領域改變落後的局面。
加工技術難點
人們早已認識到多軸數控加工技術的優越性和重要性，但到目前為止，多軸數控加工技術的套用仍然局限於少數資金雄厚的部門，並且仍然存在尚未解決的難題。多軸數控加工由於干涉和刀具在加工空間的位置控制，其數控編程、數控系統和工具機結構遠比3軸工具機複雜得多。目前，多軸數控加工技術存在以下幾個問題：
（1）多軸數控編程抽象、操作困難。
這是每一個傳統數控編程人員都深感頭疼的問題。3軸工具機只有直線坐標軸，而5軸數控工具機結構形式多樣；同一段NC代碼可以在不同的3軸數控工具機上獲得同樣的加工效果，但某一種5軸工具機的NC代碼卻不能適用於所有類型的5軸工具機。數控編程除了直線運動之外，還要協調旋轉運動的相關計算，如旋轉角度行程檢驗、非線性誤差校核、刀具旋轉運動計算等，處理的信息量很大，數控編程極其抽象。多軸數控加工的操作和編程技能密切相關，如果用戶為工具機增添了特殊功能，則編程和操作會更複雜。只有反覆實踐，編程及操作人員才能掌握必備的知識和技能。經驗豐富的編程與操作人員的缺乏，是多軸數控加工技術普及的大阻力。
（2）刀具半徑補償困難。
在5軸聯動NC程式中，刀具長度補償功能仍然有效，而刀具半徑補償卻失效了。以圓柱銑刀進行接觸成形銑削時，需要對不同直徑的刀具編制不同的程式。目前流行的CNC系統尚無法完成刀具半徑補償，因為ISO檔案中沒有提供足夠的數據對刀具位置進行重新計算。用戶在進行數控加工時需要頻繁換刀或調整刀具的確切尺寸，按照正常的處理程式，刀具軌跡應送回CAM系統重新進行計算，從而導致整個加工過程效率不高。對這個問題的最終解決方案，有賴於新一代CNC控制系統，該系統能夠識別通用格式的工件模型檔案（如STEP等）或CAD系統檔案。
（3）購置工具機需要大量投資。
多軸數控加工工具機和3軸數控加工工具機之間的價格懸殊很大。多軸數控加工除了工具機本身的投資之外，還必須對CAD/CAM系統軟體和後置處理器進行升級，使之適應多軸數控加工的要求，以及對校驗程式進行升級，使之能夠對整個工具機進行仿真處理。
展望
多軸數控加工技術正朝著高速、高精、複合、柔性和多功能方向發展，努力達到高質量、高效率的目標。我國多軸數控加工技術研究起步較晚，與已開發國家的技術水平還有很大的差距。目前，多軸數控加工中心的關鍵部件如5軸頭、數控系統、電動機，國內企業多採用進口，價格高，成本居高不下。為此，只有自力更生實現自主研發突破關鍵技術，堅持走技術發展的道路，才能提高企業的利潤空間。
