5軸加工的優(yōu)越性

選用一種在實(shí)際應(yīng)用中切實(shí)可行的方案，才能充分體現(xiàn)出5軸加工的優(yōu)越性，并對(duì)最終的加工效果產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

適用于多軸加工的技術(shù)和設(shè)備早已出現(xiàn)在我們的周?chē)�。在航空、石油、醫(yī)療和模具制造等行業(yè)中，采用5軸聯(lián)動(dòng)加工的方法基本上都差不多，但每個(gè)行業(yè)都有其特殊的應(yīng)用方式，他們需要確定如何使制造廠更好地完成生產(chǎn)任務(wù)。

在立式和臥式銑削加工中，又在現(xiàn)有的X、Y和Z軸基礎(chǔ)上增加了兩根軸。一般來(lái)說(shuō)，這兩根軸都是旋轉(zhuǎn)軸，一根圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)，另一根是傾斜軸，圍繞Y或X軸旋轉(zhuǎn)。

目前，采用5軸聯(lián)動(dòng)銑削加工技術(shù)的主要有三種方法：專(zhuān)用5軸加工中心；采用傾斜式旋轉(zhuǎn)或耳軸式工作臺(tái)；采用主軸加工頭附件。

圖1  圖中所示的主軸附件重約150lb(0.45kg)，它為3軸CNC數(shù)控銑床能獲得5軸動(dòng)力加工提供了一種經(jīng)濟(jì)的方法

專(zhuān)用5軸加工中心

目前在美國(guó)銷(xiāo)售的機(jī)床中，大約有15家以上的5軸加工中心原始設(shè)備制造廠。它們大部分都屬于大型設(shè)備，其功率強(qiáng)大、加工精度高、價(jià)格昂貴，一般在5~15萬(wàn)美元，甚至更高。如今市場(chǎng)上最便宜的加工中心，其起步價(jià)約在2.5萬(wàn)美元左右。

專(zhuān)用5軸加工機(jī)床的主要缺點(diǎn)是：它們的運(yùn)動(dòng)范圍十分有限，一般只限于±30 ；需要陡坡角度切削加工的工件必須采用手工二次定位和再次啟動(dòng)。而且，這類(lèi)機(jī)床的剛性不如同尺寸和同類(lèi)型的3軸機(jī)床。

近年來(lái)，許多公司開(kāi)始采用專(zhuān)用5軸加工中心，它的傾斜式工作臺(tái)與銑床的工作臺(tái)組合在一起安裝。盡管這種機(jī)床所能加工的零件尺寸和重量十分有限，但這類(lèi)混合型機(jī)床的價(jià)格也是相當(dāng)昂貴的。

傾斜式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)

有多家機(jī)床制造商生產(chǎn)安裝在3軸CNC數(shù)控機(jī)床上的傾斜式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)已在市場(chǎng)上銷(xiāo)售多年，廣泛地應(yīng)用于世界范圍內(nèi)的小型和大型機(jī)加工車(chē)間，用于零件的分度，進(jìn)行各種機(jī)加工操作。

傾斜式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)可以使零件旋轉(zhuǎn)，并可按各種角度傾斜，有利于機(jī)床的刀具接近零件的多個(gè)加工面，達(dá)到真正5軸加工的目的。

傾斜式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的工作面相對(duì)較小，能夠安裝夾持工件的類(lèi)型非常有限，對(duì)工件的長(zhǎng)度、寬度和重量都有一定的限制。此外，傾斜式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)本身的體積較大，占據(jù)了主機(jī)很大的工作范圍。最大的傾斜式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)甚至可占據(jù)主機(jī)75%以上的工作范圍。

在進(jìn)行重型切削操作時(shí)，傾斜式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)不適合于夾持加工零件，因?yàn)殚L(zhǎng)度超過(guò)12in(1in=25.4mm)的零件可能會(huì)碰撞到周?chē)�的表面。雖然，傾斜式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)對(duì)于加工小型零件來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常合適的解決方案，但今天的客戶要求機(jī)床具有更大的靈活性和寬廣的加工能力。如果這只是5軸加工惟一可選用的方法，那么加工車(chē)間就無(wú)法加工超過(guò)它們尺寸和重量限制的工件。

圖2  這臺(tái)大型3軸CNC數(shù)控銑床可在30min內(nèi)轉(zhuǎn)換成一臺(tái)全可編程的5軸加工中心

主軸加工頭附件

主軸加工頭附件的主要優(yōu)點(diǎn)是：它能夠接近加工中心工作范圍的所有點(diǎn)。主軸加工頭對(duì)需要加工的工件尺寸沒(méi)有限制。

今天，只有很少幾家美國(guó)、意大利和德國(guó)的公司制造和銷(xiāo)售可編程的主軸加工頭附件，它們用于大型3軸銑床。如果安裝合理的話，這些主軸加工頭還是相當(dāng)可靠的，加工精度將會(huì)很高，只是價(jià)格較貴。由于它們的尺寸和重量問(wèn)題，其不適合于安裝到中、小型加工中心上，只適合于大型龍門(mén)式銑床。并且安裝是永久性的，要求專(zhuān)門(mén)的制造和裝配。這類(lèi)主軸加工頭附件的價(jià)格為17.5~30萬(wàn)美元，再加上專(zhuān)門(mén)的調(diào)試和安裝費(fèi)用。
惟一例外的是，目前有一種全可編程式主軸頭附件，使用它可將任何3軸CNC數(shù)控機(jī)床轉(zhuǎn)變成真正的5軸聯(lián)動(dòng)加工中心。如果添加一個(gè)可傾斜±90°和旋轉(zhuǎn)360°的功能，其刀具就可以接近加工中心工作范圍內(nèi)的任何一個(gè)加工點(diǎn)。

由于這種獨(dú)特的加工頭移動(dòng)方便，可在30min內(nèi)安裝到機(jī)床上，從而使客戶既能達(dá)到3軸銑床精度高、剛性好和切削速度快的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠使附件在安裝到機(jī)床上以后，完成5軸加工的任務(wù)，例如輪廓外形的加工、鉆孔和型腔隱窩加工等。其費(fèi)用大致與大型傾斜式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的費(fèi)用相當(dāng)。

5軸加工的優(yōu)越性

對(duì)某種特定的應(yīng)用領(lǐng)域和5軸加工能力進(jìn)行分析之后，發(fā)現(xiàn)采用5軸加工可以為模具制造商帶來(lái)極大的效益。

采用一把平底端銑刀，并對(duì)復(fù)雜的加工表面保持垂直的狀態(tài)，就可大幅度地減少加工時(shí)間。這個(gè)成果是由于刀具整個(gè)直徑都投入跨步切削而完成的，因?yàn)檫@種加工方式可減少在工件表面上的走刀次數(shù)。這個(gè)加工原理也同樣適用于帶角度表面的側(cè)面銑削加工。這種工藝也可以消除由球端立銑刀加工所造成的肋骨狀紋路，達(dá)到較為理想的表面質(zhì)量，削減因清理表面而增加的人工銑削和手工作業(yè)量。

5軸加工技術(shù)解除了工件在復(fù)雜角度再次定位所需的多次調(diào)試裝卡。這不但節(jié)約了時(shí)間，而且還大大降低了誤差，并且節(jié)約了安裝工件就位所需的工裝夾具等所需的昂貴費(fèi)用。它使機(jī)床能夠加工復(fù)雜的零件，這是采用其他方法不可能辦到的，包括復(fù)雜表面上通常所需要的鉆孔、型腔隱窩和錐度加工。

5軸加工通過(guò)采用較短的刀具，可一次性完成整個(gè)零件的加工，不需再次裝卡或采用同類(lèi)3軸加工中所需的較長(zhǎng)刀具，而且可以在較短的時(shí)間內(nèi)交工，零件的表面質(zhì)量也比較理想。由于刀具通過(guò)樞軸支點(diǎn)延伸安裝，因此以主軸為基礎(chǔ)的附件，當(dāng)加工模具里面的型腔時(shí)，實(shí)際上還可以在主機(jī)規(guī)定的行程外進(jìn)行銑削加工。