丘宏岳

摘要：在数控技术中，与三轴加工相比，五轴数控技术的应用在复杂曲面加工过程中具有很高的优势，高性能的五轴数控铣削加工关系到包括导弹、飞机等武器关键零部件的制造水平，因此当前众多国家都对五轴数控加工技术在进行不断地研究提高。但是由于数控机床的运动复杂性和结构多样性，导致五轴数控加工过程中要实现预期的后置处理以及加工编程效果，会具有比较高的技术难度，对于数控机床的运行效率也产生了比较大的制约。本文针对五轴数控技术在铣削加工中的应用进行了探讨，并重点分析了五轴数控铣削加工的后置处理算法以及相应的加工编程。

关键词：五轴数控;铣削加工;后置处理;加工编程

0  引言

在五轴数控铣削加工过程中，CAM系统产生的刀位数据是没有包括数控系统以及机床相关信息的，后置处理是一种特定的数控加工程序，它的应用能够对刀位数据进行转换，使其能够对五轴数控机床的具体运动加以精准控制。在零部件的加工质量和加工效率方面，后置处理水平的高低具有直接的决定作用。与此同时，后置处理水平也影响着五轴数控机床在运行过程中的可靠稳定性。后置处理过程主要需要对机床的运动数据进行装换，校验非线性运动的误差性，校验刀具的进给速度，以及生成数控加工的程序。

1  五轴数控机床概述

五轴数控机床是指机床具有五个能够互相联动的运动轴，其中转动轴有两个，平动轴有三个。如图1所示，XYZ三个轴是平动轴，ABC三个轴中绕XYZ轴进行旋转的任两个轴就是旋转轴，通过右手螺旋法则进行旋转轴正方向和的确定。五轴数控机床与其他数控加工技术相比，其适用范围非常广泛，而且在具有较高复杂性的曲面型零件的加工過程中，具有非常优异的表现，能够保证零件的加工质量和加工效率。这是因为五轴数控机床中的回转控制轴有两个，在进行切削的时候，工件和刀具之间的相对位置能够实现最大程度的变化，从而使刀具切削过程中不发生干涉现象实现最理想的切削质量。根据运动轴配置型式的不同，五轴数控机床分为摆头转台型、双转台型以及双摆头型三种[1]。摆头转台型的五轴数控机床是基于三轴机床的现有功能，再加上具有更多功能的主轴头实现的，比如转动与摆动、工作台倾斜与数控回转等。在双转台型的五轴机床上，工件会同时受到两个旋转轴的作用，运动轴形式包括B-A、A-B、B-C、A-C。在这一类型的五轴数控机床中主轴具有很高的刚性，且结构也不会过于复杂。但是由于工件的负载能力比较小，所以通常将其进行小型零部件的加工。与双转头型的五轴数控机床的作用机理不同，双摆头型的五轴数控机床中，旋转轴都是对刀具进行作用，具体包括C-A、A-B、C-B、B-A。这一类型的五轴数控机床可以设计面积比较大的工作台，且在零部件加工过程中主轴具有很高的灵活性。与此同时，因为摆动机构具有较强的复杂性，所以刚性比较低，实际应用过程中需要特别注意。

2  五轴数控机床的后置处理

2.1 后置处理算法概述

在进行后置处理时，主要是要将存储于编程刀位文件里的数据进行转换，使其成为五轴数控机床铣削加工中的具体运动坐标，因为刀位文件中是以编程坐标系为基准的刀轴矢量和刀心坐标，无法直接加以应用。这一坐标转换过程，以数学方向进行分析，就是对图形进行一定的变换坐标操作。基于运动关系不同的五轴数控机床，在进行转换的时候，具体方法也存在一定的差异性。

2.2 刀具摆动型五轴机床的后置处理算法

如图2所示，是刀具摆动型五轴机床中刀摆的示意图。C0是刀心的位置，Ch0是摆刀的中心，两者之间的刀长距离是L，围绕z轴刀具能够转动C角，绕X轴刀具的摆动角是A。C0的坐标是（xc0，yc0，zc0），刀轴矢量a的坐标是（ax，ay，az），X Y C Z是机床的运动坐标。以C0作为摆动中心，围绕X轴Ch0的摆动角A，对其进行以下矩阵转换：

2.3 有回转工作台五轴机床的后置处理算法

如图3所示，是XYZAC类型五轴数控机床的矢量转动关系图。Z轴和工作台的回转轴具有一致性，绕X轴工件的摆动角是A，绕C轴工件的摆动角是C，五轴数控机床的运动坐标系是XR YR ZR 0R，OR*OW=d。刀心C0的坐标是（xc0，yc0，zc0），刀轴矢量a是自由矢量，其坐标是（ax，ay，az）。A，C，X，Y，Z 5项机床的运动坐标的计算如下[2]。先将a和工件的坐标系原点重合，再令a顺时针沿着Z轴转到（+Z）（-Y）平面，令a顺时针旋转到Z轴方向，确保围绕X轴旋转的时候，刀具的转动角能够控制在0°至90°的范围之内。A的计算方式如下：

3  五轴加工编程实例分析

3.1 制定加工方案与工艺

需求为某一油田加工钻井的钻头，可以通过对钢体材质的PDC钻头基于 CIMATRON E软件的应用进行五轴数控加工编程，完成加工编程之后，利用后置处理程序进行五轴仿真加工的验证，确保加工编程结果的准确性[3]。首先，要建立该钢体材质PDC钻头的三维模型，掌握钻头最小圆角的半径、宽度以及深度等尺寸参数，基于结构尺寸参数和具体特征进行加工工艺的分析总结。通过测量可知，该钻头结构中齿根部的圆角半径为R6，最大的轮廓直径为214mm，整体高度为209mm。且通过分析测算可知，在齿顶的凹槽位置，其最小的曲率半径是8mm，在对钻头这一位置进行精加工的时候，刀具的选用要考量到这一尺寸数据的大小。根据上述数据分析可得，对这一钻头零件进行数控加工时，如果使用三轴数控加工技术，加工过程中要进行多次的装夹操作，工作量很大，在装夹过程中，很难对精确度进行有效的控制，具有很高的加工难度。综上，对该钻头零件制定了如下加工方案，先通过三轴数控机床完成钻头的粗加工与半精加工，之后再利用五轴数控机床，完成最后阶段的精加工。

3.2 三轴粗加工与半精加工编程

钻头零件的粗加工与半精加工都是在三轴数控机床上完成的，具体加工编程基于 CIMATRON E软件进行，粗加工过程使用体积铣中的环切刀路，半精加工则是使用体积铣中二次开粗的功能。粗加工过程必须保证刀具选择的合理性，在对钻头的内部主体和上表面进行粗铣时镶片式的环形刀能够满足受限尺寸要求，刀具底部的圆角半径为R5，直径为35mm，切削的行间距要控制在28mm。在对拐角以及凹槽等局部位置进行粗铣的时候，要使用底部的圆角半径为R4，直径为16mm的镶片式的环形刀，切削的行间距则要控制在12mm。上述两部分的粗铣加工的余量均要控制在5mm，单次切削的深度也要控制在0.4mm[4]。半精加工要对钻头的浅斜面、陡斜面、浅平面以及里面进行加工，结合钻头型腔的结构特性，使用整体式的12mm直径的球头立铣刀，切削的行间距要控制在6mm，单次切削深度要控制在2mm。

3.3 五軸精加工

钻头齿顶位置的凹槽以及型面利用五轴数控机床进行精加工，基于 CIMATRON E软件中的五轴编程功能进行。在选择机床的时候，机床必须具备五轴联动的加工功能。加工铣削刀具选择直径为10mm整体式的球头铣刀。结合齿顶位置的凹槽的倒扣结构特点，再加上实际加工空间比较狭小，生成刀路轨迹要与曲线平行。与此同时，为了防止出现干涉问题，要选择从曲线倾斜的控制刀轴方式。立卧转换是五轴数控机床精加工钻头的外型面的时候要使用的功能，该功能可以对四个工位完成铣削加工[5]。选择CIMATRON E软件中的根据角度曲面作为具体的编程方式，单次铣削厚度控制在0.25mm。

4  结束语

在国内外的数控加工领域中，五轴加工技术一直是非常热门的研究方向，其加工过程中的自动化和精密高效特性使其在很多行业中都具有非常广阔的应用前景，且具体加工过程中的优势非常明显。作为五轴数控加工技术中的关键，后置处理和加工编程是决定五轴数控加工质量和效率水平的重要因素，实际意义过程中，必须严格遵照相关的标准要求。

参考文献：

[1]黄桂武.五轴数控铣削加工后置处理及其加工编程[J].机械研究与应用，2020，33（02）：151-153，157.

[2]宗冬芳.试论模具深腔曲面多轴数控铣削加工技术[J/OL].中国培训：1[2020-06-01].https：//doi.org/10.14149/j.cnki.ct.20170615.

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[3]干为民.五轴数控电解铣削开槽加工整体涡轮盘的试验研究[C].中国机械工程学会特种加工分会.2016年全国电化学加工技术研讨会会议论文集.中国机械工程学会特种加工分会：中国机械工程学会，2016：70-77.

[4]周立波，吴昊.内球面多轴铣削加工工艺的研究[J].组合机床与自动化加工技术，2016（06）：149-151，154.

[5]刘灿，侯磊，马泳涛.非正交五轴数控机床加工整体叶轮的编程工艺研究[J].煤矿机电，2015（06）：45-47.