多轴数控加工简介与优化方向

◇任务简介◇

本任务主要介绍多轴加工的基本概念、多轴数控加工的功能和特点、多轴数控加工的应用、五轴数控加工机床简介、多轴加工与CAM软件等方面的知识，使初学者了解多轴数控加工的基础知识，为下一步学习奠定基础。

◇学习目标◇

1．了解多轴数控加工领域内的基本概念。

2．了解多轴数控加工的特点、应用领域。

3．掌握五轴数控加工机床的分类及应用。

4．了解常用多轴加工CAM软件。

◇知识要点◇

一、多轴数控加工的基本概念

多轴数控加工是指在具有三根以上联合运动轴的机床上，实现三根以上轴运动进行切削的一种加工方式，这些运动轴可以是全部联动的，也可以是一部分运动轴联动而另一部分轴固定在某个空间位置。

为了便于理解多轴数控加工的概念，下面将进一步阐述数控机床运动轴的基本概念。

1．数控机床运动轴配置及方向定义

要深入理解多轴加工的概念，应该首先了解数控机床运动轴的配置及名称的相关规定。根据《工业自动化系统子集成 机床数值控制坐标系和运动命名》（GB/T 19660—2005）的规定，数控机床坐标系采用右手笛卡尔坐标系，如图7-1-1所示。基本坐标轴为X轴、Y轴、Z轴三根直线轴，对应每一根直线轴的旋转轴分别用A轴、B轴和C轴来表示。

图7-1-1 机床坐标轴及方向定义

一般规定，Z轴为平行于传递切削动力的机床主轴的坐标轴，Z轴的正方向是增大工件与刀具距离的方向；X轴是作为水平的、平行于工件装夹平面的轴，平行于主要的切削方向，且以此为正方向；Y轴的运动则根据X轴和Z轴按右手法则确定。

如图7-1-1所示，绕双Y轴和Z轴做旋转运动的旋转轴分别被命名为A轴、B轴和C轴。A轴、B轴和C轴的正方向相应地表示在X轴、Y轴和Z轴坐标轴正方向上，按照右手螺旋前进方向确定。

根据需要，机床可以还具有除X轴、Y轴和Z轴三个直线轴，A轴、B轴和C轴三个旋转轴以外的附加轴。对于直线运动，把平行于X轴、Y轴和Z轴以外的第二组直线轴，分别指定为U轴、V轴和W轴，如果还有第三组直线轴，分别指定为P轴、Q轴和R轴。对于旋转轴，如果机床具备第一组旋转运动A轴、B轴和C轴的同时，还有平行于A轴和B轴的第二组旋转运动，则指定为D轴或E轴。

2．多轴数控加工的方式

根据多轴机床运动轴配置形式的不同，多轴加工机床可以使用不同的加工方式进行切削。归纳起来，可以将多轴数控加工分为以下几种方式：

（1）四轴联动加工：指在四轴机床（比较常见的机床运动轴配置是X轴、Y轴、Z轴、A轴四轴）上进行四根运动轴同时联合运动的一种加工形式。四轴加工能完成图7-1-2所示的零件以及类似零件的加工。

图7-1-2 四轴机床及其产品

（2）3+1轴加工：也可以说是四轴定位加工。通常是指在四轴机床上，实现三根运动轴同时联合运动，另一根运动轴固定在某一位置的一种加工形式。图7-1-3所示方形零件可以通过“3+1”轴加工来完成。

图7-1-3 “3+1”轴产品

（3）五轴联动加工：也叫连续五轴加工。它是指在五轴联动机床上进行五根运动轴同时联合运动的切削加工形式。五轴联动加工能加工出诸如发动机整体叶轮、整体车模一类形状复杂的零部件，如图7-1-4所示。

图7-1-4 五轴联动加工整体叶轮

（4）五轴定轴加工：也叫定位五轴加工或五轴定位加工，可分为“3+2”轴加工和“4+1”轴加工两种方式。

①3+2轴加工是指在五轴机床（比如X轴、Y轴、Z轴、A轴、C轴五根运动轴）上进行X轴、Y轴、Z轴三轴联合运动，另外两根旋转轴（如A轴、C轴）固定在某一角度位置的加工方式。“3+2”轴加工是五轴加工中最常采用的加工方式，使用这一加工方式能完成零部件大部分侧面结构的加工。另外，市面上所谓的“五面体加工机床”实现的就是“3+2”轴加工方式。

②“4+1”轴加工是指在五轴机床上，实现四根运动轴同时联合运动，另一根运动轴固定在某一空间位置的一种加工方式。

二、多轴数控加工的功能和特点

由于刀具相对于工件（或工件相对于刀具）能形成各种角度位置关系，所以多轴数控加工机床在具备三轴数控机床的全部功能的同时，解决了三轴数控加工不能完成的难题。具体如下：

1．加工复杂自由曲面

可以加工一般三轴数控机床所不能加工或很难一次装夹完成加工的连续、平滑的自由曲面，如航空发动机和汽轮机的叶片、舰艇用的螺旋推进器以及许多具有特殊曲面和复杂型腔、孔位的壳体和模具等。

图7-1-5所示为汽轮机整体叶片零件。这一类零部件如果用三轴数控机床加工，由于其刀具相对于工件的位姿角在加工过程中不能变（图7-1-6），加工空间自由曲面时，刀具和工件就有可能发生干涉或者出现欠加工（即型面加工不到位，如图7-1-6所示，叶片根部刀具就切不进去）。而用五轴联动机床加工时，由于刀具相对于工件的位姿角在加工过程中可随时调整，如图7-1-7所示，可以避免刀具与工件间的干涉，并能在一次装夹中完整地加工出全部型面及其他特征。

图7-1-5 汽轮机整体叶片零件

图7-1-6 整体叶片零件与刀轴

图7-1-7 整体叶片零件五轴联动加工

2．使用更短的刀具加工深长型腔零件和高陡峭壁的凸模零件

在零件加工过程中，使用的刀具悬伸出机床主轴越长，刀轴的旋转偏摆量增大的趋势就越明显，容易导致凸模欠切、凹模过切，零件加工精度就会显著降低。如图7-1-8所示，对于带深长侧壁的零件，在三轴机床上，必须选用刀柄和切削刃都足够长的刀具才能切削成型。而使用五轴加工机床能在加工相同对象时，通过摆动刀轴避开刀柄与侧壁的碰撞，从而实现使用短刀具加工出深长型腔或高陡峭壁的表面，如图7-1-9所示。

图7-1-8 使用长刀具加工零件

图7-1-9 使用短刀具加工零件

3．加工大型模型、模具零件的必需技术

在加工诸如1:1整体车模、1:1风力发电机叶片（分段）等大型零部件时，由于模型侧壁往往较深且带有成形特征，必须使用五轴机床才能加工出产品。例如，整体车模的高度一般都超过1 m，并且车模侧围不是简单的平面，而是具有凹凸不平的成形曲面特征。因此，在一次装夹中，使用三轴机床是不能完整加工出来的，必须使用五轴机床通过调整刀具与工件的角度位置进行加工。

4．可以提高加工空间自由曲面的尺寸精度和表面质量

使用三轴机床加工复杂曲面时，通常采用球头铣刀。球头铣刀是以点接触成形的，不仅切削效率低，而且由于刀具与工件间的位姿角在加工过程中不能改变，一般很难保证用球头铣刀上的最佳切削点（即球头上线速度最高点）进行切削，反而经常出现切削点落在球头铣刀上线速度等于零的旋转轴尖点上的情况（即所谓的静点切削）。从图7-1-10中可以清楚地看出刀具与工件表面的接触点位置。

图7-1-10 球头铣刀静点切削

静点切削不仅会造成切削效率低，加工表面质量严重恶化，而且往往需要采用手动修补，因此也就可能丧失加工精度。采用五轴机床加工时，由于刀具与工件间的位姿角随时可调，如图7-1-11所示，不仅可以避免这种情况的发生，而且还可以时时充分利用刀具的最佳切削点来进行切削，甚至可以用线接触成形的螺旋立铣刀来代替点接触成形的球头铣刀进行三维自由曲面的铣削加工，可获得更高的切削速度、侧吃刀量，从而也就获得了更高的切削效率和更好的加工表面质量。

图7-1-11 球头铣刀非静点切削

5．为模具零件加工带来更高的加工效率(www.xing528.com)

这一功能突出表现在带角度的侧曲面铣削加工方面。如图7-1-12所示，对于圆锥台零件锥面的加工，使用五轴机床切削时，通过动态地改变刀轴位姿角，可以使用圆柱立铣刀的侧刃来加工，从而代替使用球头铣刀来加工。一方面大大提高了加工效率；另一方面，这种工艺也可以消除由于球头铣刀加工所造成的肋骨状纹路，可达到较为理想的表面质量，减少因清理表面而增加的人工铣削和手工作业量。

图7-1-12 五轴加工圆锥台

6．提高刀具寿命

五轴加工通过改变刀具切削工作部位来延长刀具的使用寿命。虽然使用高速加工机床可以获得快速的切削效率，并缩短工时，但在刀尖会出师刀具磨损，使得刀具的有效寿命缩短。使用五轴加工机床进行加工时，刀具除了刀尖切削外，更多时候是使用刀具侧刃来切削，所以刀具利用率提高了很多，因此也提高了刀具的整体寿命。

多轴加工虽然具备上述优势，但到目前为止，却尚未得到广泛普及，仍局限于一些资金雄厚和技术先进的企业和部门，这主要是因为多轴加工还存在以下一些问题。

（1）五轴数控编程较烦琐，操作要复杂。

首先，五轴加工程序（NC代码）不具备通用性，只能针对特定机床使用，这是每一个数控编程人员都感触颇深的问题。三轴机床只有直线坐标轴，而五轴机床结构形式多样，旋转轴可以是A轴、C轴轴组合，B轴、C轴组合或A轴、B轴组合，同一段NC代码可以在不同的三轴数控机床上获得同样的加工效果，但某一种五轴机床的NC代码却不能适用于其他类型的五轴机床。其次，为了编制零件侧面的倒勾结构的五轴加工程序，往往要从不同的视角来建立编程条件（如创建坐标系、设置安全高度等）或者采用一些较抽象的编程策略，增加了编程的工作量。

（2）五轴加工效率以及刚性有待提高。

五轴联动加工时，由于要完成五个坐标同时运动，其实际进给率往往远低于设定的进给率，导致加工效率不高。另外，同时运动的五个坐标在加工过程中，机床刚性比三轴加工时要低，这也会影响工件的加工精度和加工表面质量。

（3）采购与使用成本高。

五轴机床和三轴机床之间的价格差距较大。大体上，五轴机床的价格要比三轴机床的价格高出30%～50%。除了机床本身的投资之外，还必须对CAD/CAM系统软件和后处理选项文件进行升级，对编程人员和操作人员进行专门培训，才能适应五轴加工的要求。运动坐标数目的增加，常导致机床故障率的提高，需要更多的维护成本。

三、多轴数控加工的应用

虽然多轴加工机床的普及应用还有一些局限因素，但在下面一些加工领域，已经普遍应用了多轴数控加工技术来制造产品。

1．模具制造业中的应用

模具制造中的五轴加工应用主要包括肋板加工、刨角、深孔或芯部加工等，同样在对槽加工、倒角、陡壁和五轴钻削的加工也充分发挥了五轴加工的优势。我们知道，模具加工常见的困难是过深的模具型腔、过高的模具型芯及很小的内R角。此时常用的解决方案是使用延长杆，降低切削量及转速来进行加工。此外，在传统加工中，还会用到的方法包括将三轴机床加工不出来的结构拆分，将零件分块加工，根据零件结构设计专用夹具，或者对深型腔零件采用特种设备（如电火花加工机床）来加工。这些处理方法均会影响加工质量和加工效率。采用五轴机床倾斜刀轴加工，不仅可以加工出整体的零件，更能显著提高产品加工质量和效率。

2．应用于整体模型的加工

在新产品开发初期，要求短时间内把样品制作出来，评价其外观及结构的合理性，以利于及时进行修改。样品模型的加工讲求速度与效率这一突出特点，这使得大部分制造商会预先使用较容易加工的非金属材料如树脂（代木）、泡沫、工程塑料等材料进行轻切削，加工出该型产品来。模型加工与模具加工不同，如飞机模型、轮船模型、汽车模型的加工，它们制作的是产品原型而不是凸凹模具。使用五轴加工机床来加工产品，会避免耗费许多工时来对工件进行翻面及定位，从而提高样品加工效率。

3．应用于叶轮、叶片加工

叶轮、叶片类零件通常包括复杂的空间自由曲面，要求加工过程中刀轴矢量能跟随曲面作变化以避免干涉。因此，涡轮叶片和螺旋叶片使用五轴联动加工是非常适用的。在大中型机组叶片制造中，长期以来采用的方法是砂型铸造-砂轮铲磨立体样板，这种制造技术生产效率非常低，产品制造精度不高。采用多轴联动数控加工技术，可以高效、精确、完整地加工出叶轮、叶片零件。

4．航空、航天器零部件加工

由于功能和结构设计的特殊要求，很多航空和航天器零件是框架类零件，这些零件的毛坯件一般是锻件或整体铝合金块。零部件在结构上具有三维表面特征，有较多的薄壁加强肋结构，在三轴机床上无法加工出来，从而常常使用五轴加工。

5．气缸、机座类零件加工

发动机气缸具有复杂的内部结构，一些气缸孔还具有弯曲弧度，无法使用三轴加工方式来进行精加工。因此，气缸孔的加工方式一般使用五轴机床来进行切削。与气缸零件类似，机座类零件往往也是具有复杂内部结构以及侧孔、槽等特征的，使用多轴机床来加工可以减少夹具数目、装夹定位工时，提高加工质量

6．其他加工领域多轴机床的应用

多轴加工还广泛应用于日常生活用品的模型、模具生产中。

四、五轴数控加工机床、编程软件介绍

1．五轴数控机床的种类、结构配置、特点及其用途

通常所说的多轴铣床包括四轴加工中心、五轴加工中心、五轴车铣复合机床，本模块主要介绍五轴加工中心机床的编程与操作技术。多轴机床种类很多，它们具有不同的机械结构，不同的加工特点。五轴数控机床配套的数控系统，常见的有海德汉、西门子、法那科、华中等系统。为适应多轴加工编程的需要，几乎所有的数控系统都开发了和多轴加工相适应的特殊循环指令或循环程序。对于五轴编程，熟悉这些特殊指令或循环程序，无论是手工编程还是CAM编程，都是非常必要与重要的工作。只有充分了解多轴机床的结构特点，熟悉数控系统编程指令，才能充分发挥多轴机床的加工特点，更好地完成加工任务。发达国家在数控加工领域已经大量采用多轴机床，即使在三轴铣床上可以加工的零件，为提高加工效率和加工精度，也要在五轴（或四轴）机床上加工。

（1）五轴双转台加工中心（图7-1-13）。

图7-1-13 五轴双转台加工中心

五轴双转台加工中心适用于加工小型、轻型工件，工艺性较好，能较好地完成孔的钻、扩、铰、镗、攻螺纹等加工。其常用于复杂箱体、精密机械零件、模具的加工。经济型五轴双转台加工中心通常由三轴加工中心附加A、C轴回转工作台（图7-1-14）组成，常用于加工精度要求不高的小型零件。

图7-1-14 回转坐台

（2）五轴双摆动主轴头（图7-1-15）。

图7-1-15 五轴双摆动主轴头

五轴双摆动主轴头：适用于大型、重型工件加工，其机床结构一般为龙门式，常用于大型模具、飞机机翼等的加工。

（3）五轴旋转工作台+摆动主轴头（图7-1-16）。

图7-1-16 五轴旋转工作台+摆动主轴头

五轴旋转工作台+摆动主轴头由于减少了旋转轴、摆动轴的叠加，提高了机床刚性，适合叶轮、支架类中小型零件加工。

（4）非正交五轴加工中心。

非正交五轴加工中心由于机床结构的特殊性，使得机床整体结构紧凑、操作灵活、刚性较好。常见的非正交机床有非正交五轴双转台加工中心，如图7-1-17所示；非正交五轴双摆头加工中心，如图7-1-18所示；非正交五轴-转台-摆头加工中心，如图7-1-19所示。这些特殊结构的五轴机床，都是为适应某一类产品的加工要求开发的。选择合适的机床，是多轴编程的第一步，熟悉每种机床的加工特点，是五轴加工的基础。

图7-1-17 非正交五轴双转台加工中心

图7-1-18 非正交五轴双摆头加工中心

图7-1-19 非正交五轴一转台一摆头加工中心

2．多轴加工与CAM软件

除少数简单零件结构（如零件侧面上的一个孔）多轴加工可以手工编制数控程序外，绝大部分多轴加工程序需要借助计算机辅助加工系统（CAM软件）来计算刀具路径，并通过合适的后处理系统将多轴加工刀具路径输出为适合该类型多轴加工机床使用的数控加工代码。目前，国内应用较广泛的多轴数控加工编程软件主要有英国Delcam公司的PowerMILL软件、德国Siemens公司的NX软件、美国CNC公司的Mastercam软件、以色列思美创公司的Cimatron软件、德国OpenMIND公司的Hypermill软件以及法国DassaultSystem公司的Catia软件等。

根据不同的加工对象，上述软件的性能发挥各有所长，比如在模具制造的五轴加工方面，英国Delcam公司的PowerMILL软件在刀具路径计算、后处理、干涉检查和仿真切削方面功能都比较强大，德国OpenMIND公司的Hypermill软件在五轴联动加工方面做得比较有特色。

面对市面上众多多轴加工CAM软件，选择的一般原则是什么呢？首先，要有这样一个概念，即大部分CAM软件在开发初期都是为了解决某行业内零件加工的困难点而逐步发展、完善起来的。因此，各种CAM软件具有显著的“功能各有所长”这个特点。其次，还要考虑以下几个方面：

（1）软件的可靠性。多轴数控加工机床设备往往非常昂贵，与三轴联动数控机床相比，增加了旋转轴，编程和加工的复杂性也提高了，因此碰撞和过切的检测与避免措施必须可靠，否则会造成昂贵设备的损坏。

（2）软件的易用性。在传统的加工观念里，五轴程序通常被认为是工序的难点，过程费时且具有很严重的干涉情况。因此，在实际生产中，就特别要求CAM软件易学、易用，操作过程简单，编程思路清晰。

（3）具备机床仿真模拟功能。编制五轴加工刀具路径时，用户要考虑该程序在五轴机床上运行的可行性和安全性。CAM软件必须能模拟具体五轴机床在运行五轴程序时的切削运动，用户从中发现问题后及时调整刀具路径以避免运动到旋转极限，从而避免碰撞的发生。

另外，一些初学者还不容易分清多轴加工数控机床与数控系统的关系。它们之间的关系是硬件与软件的关系，正如计算机硬件与计算机软件的关系一样。多轴数控加工机床在结构上具备了多轴运动的可能性，要实现多轴联合运动并最终完成零件的切削，就需要机床配置能同时控制相应轴联合运动的数控系统。目前国内广泛使用的多轴机床数控系统有日本发那科公司的FANUC数控系统、德国西门子公司的Siemens数控系统以及德国海德汉公司的HEIDENHAIN数控系统等。