五轴加工和复合加工的基本特点

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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

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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，数控微信公号cncdar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，数控微信公号cncdar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。

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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。

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还没见过五轴加工呐