4+1加工工艺的优点

4+1加工工艺比5轴加工效果更好，刀具寿命、切削时间和工件表面粗糙度等均能够得到一定改善。

4+1加工工艺是一种简化的不会逐条加工的5轴加工工艺，它可以进一步改善5轴机床的加工效果，是一种在5轴机床上通过程序固定旋转轴，利用3个坐标位移轴和一个旋转轴工作的加工工艺。

尽管机床有多种运动形式，但在通常情况下，一个旋转轴可以无限运动，而另一个旋转轴的运动则是有一定范围限制的。出于专业命名的需要, 这里将可以无限运动的轴命名为工作台轴(table axis)，而另一个旋转轴命名为主轴(pivot axis)。

大多数机床的工作台轴和主轴都有不同的性能特点。表中列举了不同形式和尺寸的铣床旋转轴的最高转速，然而重要的并不是数据的准确性，而是这些数据说明的一个事实，大多数工作台轴的最高转速都大于主轴最高转速。4+1加工工艺就是利用工作台轴更好的动力性，使用主轴预先定位工件。

4+1加工工艺通常使用的是刀具定位的工艺，我们称之为表面独立加工(surface-independent machining)，由于表面依赖加工时刀具定位是直接参照工件的外形轮廓(包括进/退、倾角过盈)。在表面依赖加工方式中4+1加工工艺仅适于加工外形轮廓为圆柱形的零件。

相对而言，表面独立加工时使用一个联动系统(实际上是基于机床本身的坐标系统)来计算刀具定位，事实上在4+1加工时刀具对于工件的角度并不是保持恒定的。4+1加工工艺最大的优点在于当主轴被固定或夹紧时，可以增加机床结构的稳定性，通常表面依赖加工时会使工作台轴的加速和减速能力降低。总之，在4+1加工时刀具寿命、加工时间，以及工件表面粗糙度等均能够得到一定改善。

图1中是一个完整简单的型芯工件的轮廓，在这个案例中表面依赖的加工方法可能会导致工作台轴多次回车反转（如图中蓝色箭头所示），而表面独立加工方法在这种情况下显然更有效。

图1 图中显示了表面独立加工工艺的特点。
a)外形轮廓；b)表面依赖刀具定位；c)表面独立方法的刀具定位

最终用户在考虑5轴加工方法时通常会考虑程序的复杂性，在涉及4+1加工工艺时，要充分满足在简单和复杂外形加工中的各种要求。操作指令应该和固定主轴角度一样简单，软件可以在指定的角度计算刀具的位置。

程序指令不应该比其他相关因素（如零件或刀具的安装、机床其他可能产生的干涉等因素）更加复杂。对于干涉情况的识别和应对能力，最终由程序接口和计算技巧来决定。对于潜在的干涉现象，精确的确定避免干涉的角度输入值将会明显增加程序设计的负担。事实上, 在许多情形下使整个加工表面（区域）避免干涉的加工指令并不是一个角度输入值。
假如程序员必须采用手工方法去识别一系列潜在操作所对应的主轴角度，那么所增加的设计工作、模拟结果、机器测试和潜在的报废零件等将明显降低工厂对于多轴设备投资的回报。传统的手动编程工序十分繁琐，而且不适合有参照和一些可重复加工的零件。

这就要求编程人员能够给出一个最接近理想的解决方案，而一个动态防碰撞系统可以使工艺设计变得非常简单。假如误差在允许范围内，通过动态的防碰撞方法，当干涉被识别后（仅需要多输入一个参数），系统就可以在指定范围内寻求标准4+1加工工艺，像其他方案一样切实可行。

在点铣削操作中（刀具和工件点接触），可能会有无数的防碰撞方法可供选择。唯一的限制条件是刀具不能处于干涉位置，对于过盈角度无论是主轴还是工作台轴，CAM软件同样可以提供一个首选方向，最终的方案是由零件的外形轮廓、机床的尺寸和性能特点确定。

如果是通过主轴来避免碰撞的方法，那么由于产生了不断变化的5轴运动，就不能严格的称之为4+1加工工艺。但是，这个结果提供了一个非常实际的利用4+1加工工艺作为主要加工方式的解决方案。在一些极具挑战性的领域中使用5轴机床，通过软件自动地寻找一些更具价值更完美的设计时，可能会产生一些更完美的结果。

图2分别表示了在没有冲突检测时刀柄和工件的碰撞、通过主轴避免碰撞，以及通过工作台轴避免冲突时的情况。

图2分别表示了在没有冲突检测时刀柄和工件的碰撞、通过主轴避免碰撞，以及通过工作台轴避免冲突时的情况。

4+1加工工艺可以对机械控制和后处理工序产生积极的影响，最主要的作用就是向CNC控制器输入新的程序，用以得出所需的结果，不仅是为了满足机械结构的定位，同样为了满足控制器在指令位置之间的选择。

通过提供一系列经过计算的控制定位的刀具路径，一般的工具中心点管理工艺都会非常成功。指定4个动态轴简化了工艺过程的控制，4个动态轴所产生的相同的刀具路径可以改善零件的表面质量，这是因为几个轴同时运动的情况非常少。5轴通常用于加工表面精度高要求很高的零件，3轴在正确使用的情况下也可以进行高精度定位和高精度表面加工，而4+1加工工艺可以介于两者之间。

例如，加工一个直径为900mm的水泵，使用4+1加工工艺相对于使用5轴加工可以节省35%的时间。通过固定或夹紧，主轴机械结构会变得更为稳固，同时刀具的性能得到了改善，增加了进给率，延长了使用寿命。

与3轴加工相比，采用4+1加工工艺加工型芯工件可以使用更短的刀具，由于计算系统可以检查刀柄，防碰撞方法可以使用户放心地使用很短的刀具。

图3 4+1 加工工艺所需的时间少于3+2复合加工

4+1加工工艺可以为整个表面加工提供统一的刀具路径，同时可以避免由于使用复合3+2工艺或复合4+1工艺在输入不同参数时所产生的表面不匹配现象，而独有的刀具路径可以避免多余的信号传送（插入/撤销）。对于实际用户而言4+1加工工艺完成操作的时间比3+2加工减少了50%。

CAM软件能够使编程人员和车间工作相对简单，4+1加工工艺作为一种最基本的加工方式其影响远大于作为5轴机床简化形式的影响。