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隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展各種高檔建筑、異形建筑的數(shù)量逐漸增加，導致用于建筑的異形裝飾產(chǎn)品的需求量日益增大。同時隨著人們生活品質(zhì)及審美觀念的提高，人們對藝術(shù)雕刻品、家居裝飾產(chǎn)品的需求迅速擴大。石材制品正在逐漸高品質(zhì)化、異型化、藝術(shù)化、產(chǎn)品多樣化、需求擴大化[1]，同時，石材藝術(shù)品、異形產(chǎn)品應用范圍越來越廣泛、市場需求量日益增加，消費者及市場對石材產(chǎn)品質(zhì)量及美觀性的要求逐漸增高，對加工工期的要求逐漸縮短[2-3]。必將引起異形石材加工設備的迅速發(fā)展，并促使其實現(xiàn)數(shù)控化、加工自動化、功能多樣化甚至信息化、智能化。
由于異形石材產(chǎn)品擁有曲面及其他復雜的外形結(jié)構(gòu)，若直接使用三軸或四軸機床進行加工，由于刀軸不能在空間位置旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)位姿有限，也就無法加工出想要的復雜曲面結(jié)構(gòu)，達不到預期的加工效率及加工質(zhì)量，更無法滿足快速擴張的市場需求[4]。于是出現(xiàn)了五軸機床，其在三軸機床的基礎上增加兩個旋轉(zhuǎn)軸或在四軸機床的基礎上增加一個旋轉(zhuǎn)軸，大大擴展刀軸在空間的旋轉(zhuǎn)范圍，使其能夠根據(jù)產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)特點實時調(diào)整刀軸方向，大大提高加工效率及加工質(zhì)量，能夠適應市場需求[5-6]。同時，五軸加工設備實現(xiàn)數(shù)控化、工自動化已在全球范圍內(nèi)進行。
1.1.1 五軸數(shù)控加工設備的分類與特點
理論上，加工復雜結(jié)構(gòu)的工件，相對于工件而言，需要刀具至少有五個獨立自由度。五軸數(shù)控加工設備的自由度組合分為如下類型[7]：（1）三個平動加兩個轉(zhuǎn)動；（2）兩個平動加三個轉(zhuǎn)動；（3）一個平動加四個轉(zhuǎn)動；（4）五個轉(zhuǎn)動。五軸數(shù)控加工設備較為常用的組合類型為第（1）種。五軸數(shù)控加工設備的結(jié)構(gòu)類型分為立式、臥式、龍門式、橋式等。根據(jù)五軸數(shù)控加工設備各運動軸之間的關(guān)系，又可對其進行如下分類：
（1）刀具旋轉(zhuǎn)：這種結(jié)構(gòu)中刀具可繞兩個相互正交的軸（如 X-Y、X-Z、Y-Z）轉(zhuǎn)動，兩個旋轉(zhuǎn)軸中一個為主動軸另一個為從動軸，從動軸附屬于主動軸并跟隨主動軸的旋轉(zhuǎn)而運動。根據(jù)由主到從的順序，兩個旋轉(zhuǎn)軸的組合形式有A-B、A-C、B-C、B-A、C-A、C-B。其中，A、B、C 分別為繞 X、Y、Z 軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸。這類機床的特點是旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)復雜、運動靈活、操作方便、適用于大型重量型工件加工，但其剛性較差。（2）工作臺旋轉(zhuǎn)：這種結(jié)構(gòu)中工作臺可繞兩個相互正交的軸轉(zhuǎn)動，同樣存在主動軸、從動軸的關(guān)系，兩個旋轉(zhuǎn)軸的組合形式同刀具旋轉(zhuǎn)型。這類機床的特點是旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)較簡單容易實現(xiàn)、剛性較大、適用于中量型工件加工。（3）刀具/工作臺旋轉(zhuǎn)：這種結(jié)構(gòu)中工作臺和刀具分別繞兩個相互正交的軸轉(zhuǎn)動，不存在主動軸、從動軸的關(guān)系，根據(jù)由工作臺到刀具的順序，兩個旋轉(zhuǎn)軸的組合形式同刀具旋轉(zhuǎn)型。這類機床的特點界于刀具旋轉(zhuǎn)型和工作臺旋轉(zhuǎn)型之間。
1.1.2 五軸數(shù)控加工的分類與特點
五軸數(shù)控加工分為以下方式：（1）刀具點接觸式：此種方式加工中以點接觸成型（如球頭銑刀），其編程難度小、易于計算，可加工任意自由曲面。但在切削點處的速度接近于零，導致精度低、效率差。（2）刀具面接觸式：此種方式加工中以面接觸成型（如端面刀），其在切削點處的速度較高，進給量較大，故而精度高、效率高。但由于刀具形狀及加工方式的限制，導致加工范圍受限。（3）刀具線接觸式：此種方式加工中以線接觸成型（如圓盤鋸），其在切削點處的速度較高，故而精度高。同時，以線接觸成型有較高的加工效率。五軸數(shù)控加工不僅能實現(xiàn)刀具相對于工件進行任意位置移動，而且能夠?qū)?/span>現(xiàn)刀具軸向相對于工件在一定范圍內(nèi)進行任意方向轉(zhuǎn)動，故而五軸數(shù)控加工的特點如下：
通過使用面接觸成型或線接觸成型方式，在切削點處提供較高的速度及較大進給量，從而保證較高的加工質(zhì)量和效率；加工復雜曲面結(jié)構(gòu)時，通過兩個旋轉(zhuǎn)軸的配合能夠有效的避免刀具和工件之間的干涉現(xiàn)象；加工中心多采用五軸數(shù)控加工，能夠擴展加工中心的加工能力，便于數(shù)控制造設備的集成化；五軸數(shù)控加工能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾完成多工序加工，有利于提高加工效率及保證不同曲面間的位置精度；通過旋轉(zhuǎn)能夠保證刀具相對于工件處于最佳的加工位置。

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