北京星航机电装备有限公司 杨军

1.概述

五轴联动加工主要应用在航空航天、汽车、轨道车辆、轮船、载人飞船、水电水利等高科技领域高附加值的关重核心部件，特别针对复合材料和复杂形面的加工尤其重要，像航空大型整体叶轮的复杂曲面加工、汽车发动机中的涡轮型面加工、汽车领域各种模具加工、发电机转子曲面整体加工都离不开高精度和高效率的精密五轴加工。这些核心部件的尺寸精度和表面精度决定了产品的性能和质量，直接影响着在各自行业的地位和业绩。国际上把五轴联动加工技术作为一个国家工业化水平的标志。随着科技时代的到来，产品质量的提高，要求零件数量减少的同时零件精度要提高，这就要求结构复杂的异形零件的需求量越来越大，交货周期越来越短，五轴联动加工在加工的各个领域的需求越来越广。随着中国“工业2025”的规划及虚拟制造技术的大发展，五轴加工技术在中国已经开启了智慧加工的新时代。

图1德玛吉MATEC_40P五轴龙门铣

图2 DMU_50五轴加工中心

2.五轴加工智慧化发展

五轴加工机床的机械配置有刀具旋转方式、工件旋转方式和两者混合式,数控系统也必须能满足不同配置的要求。与传统的三轴数控加工相比，五轴加工能够实现更复杂型面工件的加工，得到更好的表面加工质量。主要应用于具有复杂曲面的工件的加工。在航空、航天、汽车、造船和模具制造等重要产品生产领域具有非常重要的用途。

龙门加工中心matec-40P(德国马泰克)配两轴摆动主轴头和SK50/HSK 100A刀具系统。该机床非常适合于模具和大型箱体的3D加工。加工材料范围广,包括合成材料、各种金属、焊接件以及板材型工件。卓越的电主轴配合8000转的转速和33kw功率可满足对所有材料的最优的加工要求。2轴数控摆动头的五轴联动。C轴(回转轴)摆动范围±200°，根据需求自由选配2轴数控摆动头配连续旋转C轴。能够满足航空复合材料复杂型面加工精度需求，能够满足汽车模具型面精度的需求。

DMU50(德国德玛吉)是一个为车间加工、培训、实验室、夹具及工具行业应用开启全新时代的机型。该款CNC数控万能铣床的突出特点是创新的机床结构，全部轴均采用数字驱动技术，快移速度达24m/min，电主轴转速为18000r/min，因此DMU 50动态性能好。除标配刚性工作台外，还可选配手动工作台、液压夹紧的电动回转摆动工作台和联动工作台。最新配置加强筋铸铁立柱的横向滑座为该机提供了高精度和高刚性的基础。它采用最新数控技术DMG ERGOline控制面板，19"显示器和3D软件，为最高工作速度、精度和可靠性提供保证。

随着虚拟制造和虚拟现实技术的发展，五轴加工技术应用越来越智慧化。众所周知，五轴加工最关键的是数控编程，五轴数控编程最基本的就是刀轴控制，五轴刀轴控制是CAM系统五轴技术的核心。五轴CAM系统计算出每个切削点刀具的刀位点(X,Y,Z)和刀轴矢量(I,J,K)，五轴后处理器将刀轴矢量(I,J,K)转化为不同机床的旋转轴所需要转动的角度(A,B,C)其中的两个角度;然后计算出考虑了刀轴旋转之后线性移动的各轴位移(X,Y,Z)。目前航空、汽车模具等领域多采用CATIA、UG、PowerMILL、MasterCAM、hyperMILL等软件进行编程。航空飞机外形、汽车白车身加工、医疗多采用CATIA ，catia曲面功能很强大，所以在航空汽车领医疗域应用广泛。实体建模及模具，数控加工用UG较多，航天、模具领域应用UG加工编程较多。压铸模具陡峭区域多，平滑编程多采用PowerMILL。结合目前流行的虚拟制造技术，各家软件都集成了仿真功能，碰撞、干涉、刀路优化可清晰的快速的完成，更大限度的发挥着五轴加工中心的优势。

CAITA V5软件是法国Dassault System公司开发的一种主流的CAD/CAM/CAE一体化软件。CATIA V5是汽车工业的实施标准，是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所选用的核心系统。CATIA V5在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特之处，为各汽车厂商的设计和制造提供了端到端(End-to-End)的解决方案。该系统具有很强的曲面造型功能，主要的曲面造型模块包括：创成式曲面设计、自由外形设计、创成式曲面设计优化、白车身设计等。CATIA外形设计和风格设计解决方案为Class A曲面的生成提供了广泛的集成化工具。采用CATIA V5的Class A曲面建模功能来进行汽车车身表面设计，可以有效地缩短车身的开发周期，其应用日益广泛，并且备受用户好评。

UG NX是美国EDS公司的CAD/CAE/CAM 一体化软件，具有强大的参数化设计功能，在设计和制造领域得到了广泛的应用。UG刀具参数化设计思想：将刀具零件模型的构造工作划分为几何约束、尺寸约束、确定尺寸值和模型生成4个基本任务。模型生成是一项工作量巨大、琐碎 但是有规律的工作，可以由计算机基于UG等三维软件完成;形状约束、尺寸约束和尺寸值的确定是非规律性的创造性工作，由设计者根据设计要求设定，并建立零件特征之间的尺寸关联，用户修改零件模型时，只需要输入一组新的特征尺寸值，或是个别尺寸值，改变零件结构，而不需要重新设计，只需要改变某些特征参数即可。片铣刀的产品模型中应包括刀片、刀杆、夹紧装置等，在设计过程中，刀具零部件均以几何形状的形式来描述。构成片铣刀每一部分的几何体都由结构约束、图 素集和参数集组成。图素集为构成几何体的基本几何元素，如点、线段、圆弧、多边形等。为提高软件的运行效率，多采用封闭多边形来定义几何体，以减少图素的数量。结构约束用于限定几何体的结构，如两圆的同心、相邻边互相垂直或平行;参数集用于确定几何体的大小，如直线的长度、圆(弧)的半径等。并通过各参数集之间的相同参数来表达各几何体之间的位置关系。

PowerMILL独特的 5 轴加工自动碰撞避让功能，能够确保昂贵的五轴机床和工件的安全。而且，五轴相对于三轴加工的优越性也明显体现出来，使用φ3R0平底端刀二次开粗，加工效率相对三轴提高30%，大大缩短了模具制造周期。用更短的刀具加工到原来无法实现的陡峭表面或是底切区域加工，提高了加工的表面质量。下图为渝江压铸使用PowerMILL 5轴加工系统来作为其多轴加工解决方案编程的应用实例。可以看到陡峭部位加工刀路的均匀与清晰，实际应用中得到了较高的表面质量。PowerMILL强大的刀轴自动光顺可以有效地解决刀轴指向出现速度和方向上大的改变时带来的不良影响。使机床颤抖动作最小化、减少加工刀痕，改善加工质量、提高加工效率，提高所有五轴的刀路质量。

图3 渝江压铸用PowerMILL编程实例

Mastercam功能丰富，拥有设计、实体建模、2D/3D/铣削、多轴加工、车铣复合、Swiss Expert、线切割，木雕等多个模块，为航空航天、汽车、船舶、医疗器材等先进制造业及电器、轻工产品及模具制造等传统行业量身定制了多种CAD/CAM解决方案。Mastercam的Dynamic Motion技术是一种激动人心的先进切削方式。多年来Dynamic Motion已在各种复杂的实际加工环境中得到了印证：使用Dynamic Motion可显著缩短加工时间，提高加工效率，同时延长刀具及机床的使用寿命。

hyperMILL软件是一款专业的多轴联动CAM软件，其独特的算法使得五轴应用更加安全和高效，特别是在汽车、工具和模具制造、机械工程、医疗和航空业、钟表和珠宝业行业得到了很好的应用。hyperMILL用户能够使用更多加工策略，包括高速切削和高性能切削的2D和3D策略、解决方案直到5轴加工及铣削、车削。叶轮、叶盘、涡轮叶片、弯管加工和轮胎加工等特殊用途进一步完善了产品范围。

五轴加工中另外一个老生常谈的工具就是的刀具，选择数控刀具时，首先要应优先选用标准刀具，必要时才可选用各种高效率的复合刀具及特殊的专用刀具。在选择标准数控刀具时，应结合实际情况，尽可能选用各种先进刀具，如可转位刀具、整体硬质合金刀具、陶瓷刀具等。选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀;铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀;加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀;加工毛坯表面或粗加工孔时，可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀;对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。刀具品牌业内公认的像山特维克、肯纳、山高、伊斯卡等。

山特维克可乐满是山特维克集团旗下最大的金属切削刀具公司，也是全球排名第一的金属切削业刀具制造与供应商。1985年，山特维克可乐满来到中国。经过20多年的探索与发展，山特维克可乐满大中华区的服务网络已经覆盖了全国20多个重点区域。位于上海的效率中心、模具应用中心和位于天津的培训中心，可以为客户提供全面的刀具培训和量身定做的解决方案。30,000余种产品覆盖了车削、铣削、孔加工等各个金属加工应用领域。

肯纳“Kennametal®”刀具的切削速度更快、寿命更长，因此推动了从汽车生产到飞机再到整个机械行业金属加工的发展。Kennametal 积极寻求新方法来开发碳化钨合金的韧性和耐磨性。在20世纪40年代中期，公司开创性的将硬质合金刀具应用到采矿业，因此带动了采矿机械的持续发展。同时，Kennametal 还将碳化钨应用到对耐磨性要求极高的产品应用方面，如阀、模具、钻头以及雪犁刮刀等。

山高刀具是全球硬质合金刀具及相关产品的领袖之一，产品范围覆盖车削、铣削、钻削、铰削和镗削等系列，广泛应用于汽车、航空航天、模具、发电设备、机床制造等行业。

伊斯卡研发，生产，销售切槽、车、铣、镗、钻、铰、刀柄系统等全系列刀具，在为航空、汽轮机、汽车、模具、机床、机床配刀提供全套解决方案上具有丰富经验。伊斯卡的创始人Steff Wertheimer相信“强大来自于永不停息的产品创新和服务优化”。 伊斯卡研发，生产，销售切槽、车、铣、镗、钻、铰、刀柄系统等全系列刀具，在为航空、汽轮机、汽车、模具、机床、机床配刀提供全套解决方案上具有丰富经验。伊斯卡的创始人Steff Wertheimer相信“强大来自于永不停息的产品创新和服务优化”。

3.结束语

机床智能技术将环境、加工对象、加工要求、加工过程、装备自身等随机变化的因素，通过传感和多信息融合技术进行识别、判断、控制、调整、优化、补偿、提示、建议、预测、报警，从而获得传统控制技术在质量、效率、效能、安全等方面不曾达到的高度。智能技术是现代自控技术的制高点，是构成产品竞争力的新的重要因素。随着中国2025、工业机器人、虚拟制造与现实技术的发展，五轴加工技术将会越来越智慧化的引领制造领域的发展，开启五轴加工的智慧时代。