復(fù)雜型面的五軸加工

　　復(fù)雜型面在工具和模具制造中的出現(xiàn)是大批量市郊率生產(chǎn)的產(chǎn)物。在汽車工業(yè)中使用的鍛模和沖模在數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)以前主要以手工方式制造。至70年代以后，數(shù)控機(jī)床在工具和模具制造中得到了廣泛的應(yīng)用，復(fù)雜型面的基本輪廓通常用銑削加工，最初使周圍數(shù)控機(jī)床為三軸聯(lián)動。

　　進(jìn)入80年代后，五軸聯(lián)動的銑床在復(fù)雜型面加工中得到了廣泛的應(yīng)用，銑削后的工件輪廓已經(jīng)十分接近工件的最終形狀，但最后一道精整工序仍為手工操作。80年代末期，高速切削技術(shù)逐步發(fā)展成熟，它在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用從機(jī)床、刀具及其他相關(guān)技術(shù)方面都得到了不斷的完善。由于高速切削能夠成倍地提高進(jìn)給速度，所以在不降低生產(chǎn)效率的情況下使減少進(jìn)刀間距成為可能，從而為提高工件的形狀精度和降低表而粗糙度提供了前提條件。目前，高速銑削加工過的工件多數(shù)已不再需要最后一道手工加工的工序，而直接可以投入使用。

　　新型刀具材料如氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金屬陶瓷、硬質(zhì)合金特別是超硬鍍膜的不斷發(fā)展，使硬面銑削成為可能。模具的型面可以在淬火后銑削成形，從而可避免在銑削后再淬火而引起變形。這樣既簡化了加工過程，又可以提高工件精度。

　　另外，隨著精密鍛造在模具制造中的應(yīng)用，鍛打后的模具毛坯已經(jīng)具有其基本形狀，所剩的加工余量與整塊毛坯銑削時相比已經(jīng)微不足道，在這種情況下，除銑削外，還可以通過高效磨削進(jìn)行加工。與硬面銑削相比，高效磨削不但可以提高工件的形狀精度，而且可以改善工件的表面粗糙度。高效磨削的方法很多，通常采用的有球面砂輪高速磨削和小直徑帶輪的砂帶磨削。

　　工具和模具中常見的三維自由曲面通常在五軸聯(lián)運(yùn)的加工中心上進(jìn)行切削。由于工件的材料大多為合金鋼或工具鋼，機(jī)床的結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)必須考慮加工過程中生產(chǎn)率和工件精度的要求，并以此為依據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟季趾蛢?yōu)化。為了保證機(jī)床在切削各種模具材料時不發(fā)生太大的變形，在確定機(jī)床布局時，機(jī)床剛度應(yīng)放在首位。較大的五軸加工中心，多半采用龍門式結(jié)構(gòu)，一些中小尺寸的五軸加工中心有時也采用立柱式結(jié)構(gòu)。

　　進(jìn)入90年代以來，復(fù)雜型面在生產(chǎn)中幾乎全部以高速切削的方式進(jìn)行加工。目的是為了提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品的成本，同時提高工件的形狀精度和降低表面粗糙度。為了滿足高速切削的需要，機(jī)床的主軸幾乎無一例外地采用電主軸。主軸轉(zhuǎn)速根據(jù)所用刀具直徑的不同進(jìn)行無級變速，轉(zhuǎn)速范圍從每分鐘幾千轉(zhuǎn)至幾萬轉(zhuǎn)。滑臺的驅(qū)動系統(tǒng)在高速切削時也不同于常規(guī)加工中心，常用的系統(tǒng)有高速絲杠螺母副驅(qū)動和直線電機(jī)驅(qū)動，最大的進(jìn)給速度可以達(dá)到100m/min以上。

　　在加工復(fù)雜型面時，機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)也必須滿足一些特殊要求。比如，復(fù)雜型面的數(shù)控加工程序一般在CAD/CAM軟件上生成，一個型面的程序往往需數(shù)兆字節(jié)(Byte)的儲存空間，用軟盤傳遞數(shù)控程序已經(jīng)沒有可能。所以數(shù)控系統(tǒng)必須有與其他計算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的功能，以便直接從CAD/CAM上接收數(shù)控程序。此外，數(shù)控系統(tǒng)還必須采用先進(jìn)的控制技術(shù)，首先要求有前瞻(LookAhead)的功能。也就是說，在機(jī)床加工某一軌跡前，數(shù)據(jù)系統(tǒng)對要加工的曲面進(jìn)行預(yù)先分析，根據(jù)曲面各點(diǎn)的曲率以及各相鄰點(diǎn)的銜接關(guān)系，適當(dāng)調(diào)整機(jī)床的進(jìn)給速度，以便在保證工件精度的前提下達(dá)到最高的生產(chǎn)率。為了減少加工過程中的動態(tài)誤差，新型的數(shù)據(jù)系統(tǒng)伺服誤差的校正不再采用以往的串聯(lián)式比例微分積分(PID)調(diào)節(jié)器，而是采用按位置和速度等狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)調(diào)節(jié)器，采用這種調(diào)節(jié)器可以徹底消除驅(qū)動滯后誤差，補(bǔ)償由于間隙或摩擦引起的非線性誤差，甚至可以抵消機(jī)床的某些振動，從而達(dá)到提高工件形狀精度和降低表面粗糙度的要求。

　　刀具系統(tǒng)在加工復(fù)雜型面時對生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量起決定性作用。在選用刀具系統(tǒng)時，必須首先從被加工年零件幾何形狀出發(fā)，合理采用刀具的種類。如圖1所示的工件，各個部位的幾何形狀差異很大。如果只采用球頭銑刀進(jìn)行加工，則必須選用直徑很小的球頭銑刀，這樣就很難提高加工效率。另外，某些部位的圓弧半徑很小，即使用很小的球頭銑刀也無法加工。因此，考慮到生產(chǎn)效率和工件形狀兩方面的要求，在加工復(fù)雜型面的五軸聯(lián)動加工中心上必須配備其他類型的銑刀，如端銑刀和三面刃銑刀等。

　　圖2是一些選用銑刀類型。只要尺寸允許，不管是哪種形狀的刀具，切削刃宜采用機(jī)夾可轉(zhuǎn)位銑刀片。這樣的刀具由于刀片和刀體可以進(jìn)行多種組合，且刀片和刀體可以在不同公司進(jìn)行生產(chǎn)，所以可形成大規(guī)模專業(yè)化生產(chǎn)，既有利于提高刀具的質(zhì)量，又有利于降低刀具的生產(chǎn)成本。

　　目前市場上的可轉(zhuǎn)位刀片，大多采用CVD鍍膜的硬質(zhì)合金刀片。為了達(dá)到更高偽抗磨損性，可轉(zhuǎn)位刀片均采用多層鍍膜。比知用Al2O3可以提高刀片的化學(xué)穩(wěn)定性。用TiN和TiCN則可增強(qiáng)刀片的耐磨性。為了增強(qiáng)刀片的鋒利的程度，鍍膜除了可用低溫CVD方法生成外，還可以用PVD方法產(chǎn)生。有些加工對刀片的要求十分嚴(yán)格，刀片既要有鋒利的切削刃，以降低精加工表面的粗糙度，又要有極高的耐磨性，以保證工件的形狀精度。這種性情況下，必須采用多種鍍膜的組合。有的刀片為了確保使用過程上萬無一失，鍍膜層數(shù)可多達(dá)100層。

　　刀具的壽命與進(jìn)給量、切削速度和切削深度密切相關(guān)。最佳切削用量常常是一個很小的范圍，要根據(jù)具體的刀具與工件材料情況進(jìn)行確定。

　　此外，切削策略如：走刀路徑的規(guī)劃，刀具軸線曲面法矢(曲面在該點(diǎn)的法向方向)或沿曲面切矢(曲面在該點(diǎn)的切線方向)的不同方式等，也是加工復(fù)雜型面的一個關(guān)鍵性因素。它不僅影響被加工工件的表面粗糙度，也影響到工件的形狀和尺寸精度。圖3是加工一個柱形曲面時采用的不同切削策略。在圓周方向進(jìn)行切削，刀具軌跡要進(jìn)行兩軸聯(lián)動插補(bǔ)。在用沿母線方向進(jìn)行切削時，刀具只需作單軸的插補(bǔ)。另外，不同的切削方法，刀具的磨損差別很大，順銑時的刀具磨損明顯低于逆銑，往復(fù)銑削時的磨損遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單向銑削。

　　為了提高加工過程的穩(wěn)定性，優(yōu)化切削策略時，必須保證切削的連續(xù)性，同時盡可能減少走刀運(yùn)動和空行程，以便縮短切削時間。粗銑鋼件時，必須保證連續(xù)順銑，盡量降低刀刃在切削過程中切削量波動的峰值。

　　加工圖4所示的工件時，假如采用圖5a所示的行切軌跡分區(qū)加工;刀具的運(yùn)動很不合理，切削條件很不理想，加工時間需要33min，工件表面粗糙度為6～9μm。倘若改用圖5b所示的圈切軌跡分區(qū)進(jìn)行加工，加工時間約需27min,工件的粗糙度也可降至2～4μm。