五軸加工和復(fù)合加工的基本特點(diǎn)
隨著航空航天飛行器、汽車和軌道車輛等向高速、節(jié)能和安全性方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)趨向整體化、薄壁化和輕量化，其形狀遵循動(dòng)力學(xué)的要求日漸流線異型化和精密化，從而使不少關(guān)鍵零件呈現(xiàn)出復(fù)雜多面體和高次曲面的形態(tài)，應(yīng)用三個(gè)直線軸的數(shù)控機(jī)床難于獲得理想的加工精度和表面質(zhì)量。促使對(duì)五軸加工技術(shù)需求的增長(zhǎng)，近年又進(jìn)而推進(jìn)復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜零件的、精密加工。
1.五軸加工的內(nèi)涵
五軸加工是五面加工技術(shù)和五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)的概括簡(jiǎn)稱。
圖1v形發(fā)動(dòng)機(jī)缸體
五面加工技術(shù)用于復(fù)雜多面體零件在一次安裝條件下，通過增設(shè)的機(jī)床回轉(zhuǎn)軸可以方便地完成除安裝基面外所有平面和的銑、鉆、鏜等加工；不僅如此，而且在加工斜面時(shí)，通過刀具或工件的回轉(zhuǎn)，可以使刀具更好地接近加工表面縮短刀具伸出長(zhǎng)度，有利于提高切削能力和刀具壽命；此外還能解決依靠直線軸運(yùn)動(dòng)無法解決的內(nèi)凹表面的加工。
五面加工另一個(gè)特點(diǎn)是回轉(zhuǎn)軸只作分度定位，并不參與切削軌跡插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。例如圖1所示v形發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，應(yīng)用有a/b軸雙擺工作臺(tái)的臥式加工中心，a軸擺動(dòng)可完成v形斜面和缸孔的加工，再用b軸轉(zhuǎn)位就能完成曲軸軸承孔及其止推面等加工。
圖2五軸聯(lián)動(dòng)與三軸聯(lián)動(dòng)加工葉片工時(shí)及ra對(duì)比
五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)是指一個(gè)復(fù)雜形狀的表面需要用5個(gè)獨(dú)立軸共同進(jìn)行數(shù)控插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)才能獲得光順平滑形面的加工技術(shù)。雖然從理論上講任何復(fù)雜表面都可用x、y、z三軸坐標(biāo)來表述，但實(shí)際加工刀具并不是一個(gè)點(diǎn)，而是有一定尺寸的實(shí)體，為了避免對(duì)空間扭曲面加工時(shí)出現(xiàn)刀具與加工面間的干涉以及保證曲面各點(diǎn)的切削條件的一致性，需要調(diào)整刀具軸線與曲面法矢間在兩維方向上的夾角。五軸聯(lián)動(dòng)與三軸聯(lián)動(dòng)相比能加工誤差與表面粗糙度減少至1/3～1/6。圖2所示為starragherket公司精加工時(shí)葉片型面的數(shù)據(jù)，在相同切削工時(shí)10min條件下，三軸聯(lián)動(dòng)加工的表面粗糙ra1.8μm，而五軸聯(lián)動(dòng)得出的表面粗糙度僅為ra0.3μm。
五軸聯(lián)動(dòng)加工的軸數(shù)是指加工同一表面時(shí)所需獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的軸的數(shù)量，而非指該數(shù)控?fù)碛械目煽刂戚S的數(shù)量。例如龍門銑床為保證橫梁升降的平行性，需要左右兩根驅(qū)軸w1，w2同步運(yùn)動(dòng)，也就是以w1為主動(dòng)軸，而使w2軸與之保持同步。因此，它們只能作為1根獨(dú)立運(yùn)動(dòng)軸。另外如果復(fù)雜雕塑表面具有回轉(zhuǎn)體特征的話，不需要y軸運(yùn)動(dòng)，可以在數(shù)控車床或車削中心上實(shí)現(xiàn)，其zui多聯(lián)動(dòng)軸數(shù)大多為四個(gè)獨(dú)立軸。
2．復(fù)合加工的內(nèi)涵
復(fù)合加工是指一種能把多種加工方法和工序融合與集結(jié)的加工技術(shù)，可用以提升加工品質(zhì)、精度和效率。目前作為中文名稱出現(xiàn)的復(fù)合加工具有兩種不同的加工原理，即：
（1）多種加工方法融合或協(xié)同方式的復(fù)合加工（compsitionmachining）。
（2）多種加工方法和工序集合方式的復(fù)合加工（integratedmachining）。
融合式復(fù)合加工其特點(diǎn)為把兩種或多種加工方法融合或協(xié)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，起始末于上世紀(jì)70年代對(duì)晶片和光學(xué)玻璃等超硬件材料的超精加工的要求。例如機(jī)械化學(xué)拋光（cmp）加工技術(shù)是由拋光劑中軟磨料與工件表面相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)，使微觀接觸點(diǎn)產(chǎn)生高溫引起固相反應(yīng)生成物，它隨后被機(jī)械摩擦作用去除，其去除量可精細(xì)至亞納米量級(jí)。
另外還有一種協(xié)同的復(fù)合加工，雖然也是在一種主要加工方法基礎(chǔ)上加入第二種加工方法，但它只用于改善主要加工方法的切削條件。例如電解在線修整磨削（elid）、超聲車削和超聲銑削，前者通過電解在線連續(xù)修整砂輪，獲得較高生產(chǎn)率的鏡面磨削效果。后者通過超聲振動(dòng)的作用改善切屑形成條件，雖然超聲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壽命，故更確切的名稱稱之為超聲輔助車削（銑削）（ultrasonicaidedturning/milling）。
圖3a/c雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)立式加工中心
集合式復(fù)合加工其特點(diǎn)為把兩種或多加工方法集成在一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上，擴(kuò)大了機(jī)床的加工功能，使需車、銑、磨等多工序加工的復(fù)雜零件可以在一臺(tái)機(jī)床上順序?qū)嵤┩瓿伞Ｆ淠康脑谟谕瓿梢粋€(gè)零件的所有工序加工，故國(guó)外也有稱之為完整加工（completemachining或endtoendmachining）。
集合式復(fù)合加工機(jī)床（以下簡(jiǎn)稱復(fù)合機(jī)床）出現(xiàn)于上世紀(jì)90年代中后期，其主要優(yōu)點(diǎn)可歸納為：（1）進(jìn)一步提高工序集中度，減少多工序零件加工的上下料時(shí)間；（2）可避免或減少工件在不同機(jī)床間進(jìn)行工序轉(zhuǎn)換而增加的工序間輸送和等待時(shí)間，從而大幅度縮短零件加工周期和減少在制品的儲(chǔ)存量，有力地支持零件庫存的準(zhǔn)時(shí)制造（jit）的實(shí)施；（3）減少工件安裝次數(shù)，避免安裝誤差，有利于提高加工精度的穩(wěn)定性。
復(fù)合機(jī)床的這些優(yōu)勢(shì)正引導(dǎo)著數(shù)控機(jī)床由加工中心向更高工藝集成的方向發(fā)展，它將有助于優(yōu)化生產(chǎn)車間的機(jī)床配置，推進(jìn)加工技術(shù)的發(fā)展。因此本文將重點(diǎn)討論集合式復(fù)合加工技術(shù)及復(fù)合機(jī)床。
五軸加工技術(shù)及其機(jī)床
1.五軸加工機(jī)床的特征及選用
無論是五面加工機(jī)床還是五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床，它們都是在x、y、z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸的基礎(chǔ)上至少增加a、b、c三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸中任兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸，由此導(dǎo)出多樣的五軸加工機(jī)床的布局方案。針對(duì)加工件的形狀、尺寸、重量、要求精度、材料的機(jī)械性能和切削栽荷等因素，可以確定適用的機(jī)床結(jié)構(gòu)布局。
圖4b/c雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)立式加工中心
基于立式加工中心和臥式加工中心三直線軸結(jié)構(gòu)布局基礎(chǔ)上配置不同的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)型式可以得出多種布局，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的需要。
回轉(zhuǎn)軸型式有兩類：一類是刀具系統(tǒng)與工件系統(tǒng)各有一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸，第二類是兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸均配置給刀具系統(tǒng)或工件系統(tǒng)，通常稱之為雙擺銑頭或雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)。
例如，有a/c和b/c兩種雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)，雖然工作原理大致相同，但a/c轉(zhuǎn)臺(tái)有可左右支承剛性較大，但當(dāng)臺(tái)面向后轉(zhuǎn)時(shí)，由于空間狹窄為防止干涉一般擺角較?。▓D3），而b/c轉(zhuǎn)臺(tái)通常為單臂支承剛性較小，但擺角范圍大，易觀察，適宜小型零件的加工（圖4）。
顯然，回轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)對(duì)五軸加工中心機(jī)床的功能和性能有重要的作用，近年來它的結(jié)構(gòu)發(fā)展主要有以下四方面：
（1）采用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，減少機(jī)械傳動(dòng)提高動(dòng)態(tài)性能，如cytec公司的cymill銑頭；
（2）發(fā)展a/b/c三軸擺動(dòng)銑頭，使角度變換更靈活、快速，如德國(guó)zimmermann公司的m3abc三軸擺角銑頭；
（3）研發(fā)緊湊型a/b雙擺銑頭，如意大利rambaudi公司dth型a/b雙擺銑頭的擺角增長(zhǎng)至±45。此外我國(guó)沈陽機(jī)床和齊二機(jī)床公司開發(fā)的適用于臥軸的a/b的擺角的并聯(lián)桿機(jī)構(gòu)銑頭，具有新穎性，但擺角范圍較?。?br>（4）應(yīng)用±45斜面回轉(zhuǎn)使軸線立臥轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)，一般稱作為b軸，由于回轉(zhuǎn)結(jié)合面大，可提高剛度和制動(dòng)力矩，但斜面回轉(zhuǎn)180時(shí)，軸線擺角僅為90，因此擺角范圍較小，更適用于以五面加工為主的場(chǎng)合。
圖5銑車復(fù)合機(jī)床
2.加工傾斜多面體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)
不同的多面體零件由于其結(jié)構(gòu)和功能的不同，會(huì)對(duì)其斜面的空間位置有多種的定義方法，因此要求數(shù)控系統(tǒng)配置完善的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換應(yīng)用軟件以方便使用。
坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的基本原理是把機(jī)床坐標(biāo)系x、y、z轉(zhuǎn)換為特征坐標(biāo)系xc、yc、zc，而特征坐標(biāo)系的xcyc平面即包含該斜面，則刀具軸z通過擺動(dòng)至zc，即可對(duì)斜面進(jìn)行銑削和鉆孔等加工。
功能完善的斜面加工的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件，可以根輸入不同的斜面參數(shù)如：斜面空間傾擺角、斜面方向矢量、斜面投影角或斜面上三個(gè)特征點(diǎn)等的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在工件一次安裝條件下，對(duì)多面體的各個(gè)斜面進(jìn)行坐標(biāo)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，既簡(jiǎn)化編程，又能在工件一次安裝下連續(xù)加工各個(gè)斜面，提高了效率和加工精度。
3.復(fù)雜曲面的精密光順加工技術(shù)
雕塑型面、非球曲面和液體動(dòng)力三維曲面等具有曲率不斷變化甚至出現(xiàn)陡變的特征，因此在數(shù)控加工時(shí)不僅存在伺服驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤誤差，而且還因曲率的變動(dòng)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)躍度劇變和刀刃與已加工表面的干涉現(xiàn)象，使軌跡銜接處達(dá)不到光順。而隨著航空航天、激光核聚變、遙感成像和大規(guī)模集成電路等發(fā)展要求光學(xué)器件的形狀誤差≤0.05μm，表面粗糙度的zui大輪廓高度ry≤3nm。
面對(duì)這些需求，不僅要求提高五軸聯(lián)動(dòng)加工裝備的制造精度，而且還需發(fā)展多種誤差補(bǔ)償技術(shù)。上世紀(jì)80年代fidia公司在其數(shù)控系統(tǒng)中配置了rtcp軟件。用以修正刀具回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的附加線性位移，但是它僅是對(duì)刀尖的空間位置作靜態(tài)調(diào)整，還不能補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)誤差，因此近10年來heidenhain、siemens和fanuc等公司不斷深化研究五軸聯(lián)動(dòng)加工的補(bǔ)償軟件，用以減少插補(bǔ)過程因回轉(zhuǎn)姿態(tài)引起的耦合誤差，避免刀刃部的干涉及抑制回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的加加速度引起振動(dòng)等，從而可使在較高進(jìn)給速度下可使刀端運(yùn)動(dòng)軌跡達(dá)到理想平滑的效果。
圖6車銑復(fù)合機(jī)床
復(fù)合加工技術(shù)及其機(jī)床
1.復(fù)合機(jī)床是一種實(shí)現(xiàn)工藝集中的加工設(shè)備
復(fù)合機(jī)床能對(duì)復(fù)雜的多工序的零件進(jìn)行完整加工，因此它與加工中心相比有以下兩個(gè)重要特征：
（1）具有兩種及以上提供不同類型切削動(dòng)力的主軸系統(tǒng)；
（2）具有五軸加工的功能。
當(dāng)前zui常見的復(fù)合機(jī)床有：基于車削中心（tc）增加擺角銑頭的銑車復(fù)合機(jī)床（turningmillingmachine），如圖5所示mazak產(chǎn)品；基于加工中心（mc）增加工件主軸頭的車銑復(fù)合機(jī)床（millingturningmachine），如圖6所示dmg產(chǎn)品，它配置了力矩電機(jī)直驅(qū)的類似立車的工件主軸旋臺(tái)。
此外還有車磨復(fù)合機(jī)床，齒車復(fù)合機(jī)床的品種。mazak公司正在研究用幾臺(tái)適用的復(fù)合機(jī)床可替代生產(chǎn)線上多種加工設(shè)備，完成汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、缸體等新產(chǎn)品的試制。
2.復(fù)合機(jī)床技術(shù)發(fā)展探討
復(fù)合機(jī)床是一種應(yīng)用對(duì)象比較明確的、精密數(shù)控機(jī)床，其衡量的標(biāo)準(zhǔn)主要不在于有多少個(gè)主軸頭、有多少根控制軸，而在于它的適用性，發(fā)揮出它能完成其他類型數(shù)控機(jī)床不易完成的零件加工的優(yōu)點(diǎn)。否則僅把各種功能簡(jiǎn)單地組合和堆積，徒然增加成本，而缺乏技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的競(jìng)爭(zhēng)力。因此宜于基于集約化觀點(diǎn)加強(qiáng)應(yīng)用工藝研究和簡(jiǎn)約與可重構(gòu)模塊研究。
工藝研究是復(fù)合機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)，例如大型汽輪機(jī)軸需要有車、銑、齒的工序，漿輪和渦輪盤需要有車削和五軸聯(lián)動(dòng)銑削等加工功能，通過對(duì)加工技術(shù)研究，合理配置切削功能部件和柔性輔助裝置，使其能適用于地加工一定的零件族。
簡(jiǎn)約與可重構(gòu)模塊研究是經(jīng)濟(jì)地?cái)U(kuò)展復(fù)合機(jī)床功能的重要結(jié)構(gòu)措施。例如：完善銑頭的定位夾緊裝置，使其兼具車刀刀架的作用，可使機(jī)床結(jié)構(gòu)達(dá)到簡(jiǎn)約化目的；emag公司vl系列工件倒置式生產(chǎn)單元，其下方自動(dòng)轉(zhuǎn)位動(dòng)力刀架在裝上滾齒刀架后可完成齒輪的車、銑、鉆和滾齒的加工，這樣用戶可以根據(jù)需要變換加工模塊，而不致于出現(xiàn)功能冗余；又如南京四開公司引進(jìn)瑞典modig公司的transflex柔性單元，其兩側(cè)支架可根據(jù)工藝需要安裝不同用途的動(dòng)力頭和自動(dòng)換刀裝置，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)性。
此外，由于復(fù)合機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件增多、空間緊湊，因此它的可靠性和安全性的智能化技術(shù)也是需要予以重視。
（作者：盛伯浩）