五軸加工應(yīng)用的挑戰(zhàn)

發(fā)布日期：2011-11-25 蘭生客服中心瀏覽：2526

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當(dāng)采用五軸加工時(shí)，必須考慮盡可能用最短的切削刀具完成整個(gè)模具的加工，從而獲得良好的表面質(zhì)量，避免返工，同時(shí)減少焊條的使用量，縮短EDM的加工時(shí)間。

成功的五軸加工應(yīng)用　不僅僅是買到五軸加工中心和某些五軸CAM軟件就行了，加工中心必須適合加工模具，類似地， CAM軟件不僅要具有五軸功能，而且必須具有適合模具加工的功能。

使用短的切削刀具是五軸加工的主要特征。短刀具會明顯地降低刀具偏差，從而獲得良好的表面質(zhì)量，避免了返工，減少了焊條的使用量，縮短了EDM的加工時(shí)間。當(dāng)考慮到五軸加工時(shí)，必須考慮利用五軸加工模具的目標(biāo)是：盡可能用最短的切削工具完成整個(gè)工件的加工，也包括減少編程、裝夾和加工時(shí)間卻能得到更加完美的表面質(zhì)量。

三軸和3+2軸加工

只要工件型腔不是很深（相對刀具直徑而言），三軸刀具路徑（2、3、5）就足夠了。如果工件型腔很深并有很窄的部位，使用純粹的三軸刀具路徑來完成整個(gè)精加工是不夠的。在這種情況下，差的表面質(zhì)量和較長的加工時(shí)間隨之而來。圖1是三軸刀具路徑的情況，這里，最短的刀具都長度必須很長，以期在垂直的方向能夠加工到工件的所有區(qū)域。

圖1 三軸加工路徑（圖片由Sescoi 提供）

采用較短的刀具時(shí)，主軸應(yīng)傾斜，以保證工件的特殊區(qū)域也能被加工到。3+2軸加工通常被認(rèn)為是設(shè)置一個(gè)對主軸的常量角度。復(fù)雜工件可能要求許多個(gè)傾斜視圖以覆蓋整個(gè)工件，但這樣會導(dǎo)致刀具路徑重疊，從而增加加工時(shí)間。

另外，所有的傾斜視圖也很難準(zhǔn)確結(jié)合，因而手工打磨的工作量會增加，同時(shí)還極大地增多了進(jìn)出動作，常常導(dǎo)致表面質(zhì)量問題和更多的刀具運(yùn)動。

最后，在這種方式下編程會產(chǎn)生相互干涉而且很費(fèi)時(shí)，所有視圖的總和也常常不能覆蓋整個(gè)幾何形狀。圖2 示范了四個(gè)工件視圖，但工件中心仍有一個(gè)區(qū)域未能覆蓋到，這個(gè)區(qū)域仍需要一個(gè)額外的傾斜視圖。

圖2 3+2軸刀具路徑

為了克服3+2軸加工的缺點(diǎn)，五軸聯(lián)動加工可能是一個(gè)更好的選擇，更何況有些五軸機(jī)床還具有一些專門為模具工業(yè)設(shè)計(jì)的功能。五軸聯(lián)動加工能協(xié)調(diào)三個(gè)直線軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸使它們同時(shí)動作，解決了三軸和3+2軸加工的所有問題，刀具可以非常短，不會產(chǎn)生視圖重疊現(xiàn)象，遺漏加工區(qū)域的可能性更小，加工可以連續(xù)進(jìn)行而無須額外的導(dǎo)入導(dǎo)出(見圖3)。

圖3 五軸刀具路徑

五軸銑削機(jī)床

五軸銑削機(jī)床具有多種不同的配置，比如：

□ 通過旋轉(zhuǎn)工作臺可使工件具有兩個(gè)自由度自由旋轉(zhuǎn)，這種情況下主軸只能沿軸向移動。

□ 主軸安裝方式可提供兩個(gè)自由度，使銑刀旋轉(zhuǎn)，這種情況下工件不能移動。

□ 系統(tǒng)可以是以上兩種情況的組合—— 一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸是旋轉(zhuǎn)工作臺，另一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸由主軸充當(dāng)。

一般來說，購買三軸銑床時(shí)需考慮幾個(gè)不同的特征，如馬力、主軸轉(zhuǎn)速、軸向進(jìn)給率、工作范圍和重量極限等。評估五軸機(jī)床時(shí)，除了這些，還必須考慮如下方面：重復(fù)定位精度、轉(zhuǎn)速、角度極限、為五軸加工所選的銑床控制系統(tǒng)及其他任選項(xiàng)。

1、重復(fù)定位精度

重復(fù)定位性是指五軸機(jī)床具有的能返回同一點(diǎn)并保持矢量一致性的能力。對五軸機(jī)床的重復(fù)定位精度來說，不僅僅是軸向位置的精度，還有角度值。

2、轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速其實(shí)也意味著刀具相對與工件的旋轉(zhuǎn)速度，這個(gè)值越快，機(jī)床切削地也越快。許多老式五軸機(jī)床的轉(zhuǎn)速較慢，當(dāng)然達(dá)不到高性能加工的生產(chǎn)力要求。

轉(zhuǎn)速對加工模具來說是一個(gè)重要的因素。許多五軸銑削機(jī)床帶有一個(gè)C軸，缺省時(shí)繞Z軸旋轉(zhuǎn)。如果用短刀具銑削深槽工件，必須使刀具通過A/B軸傾斜并旋轉(zhuǎn)C軸來繞工件切削，這種情況下，C軸的轉(zhuǎn)速性能是取得成功的關(guān)鍵。

3、角度極限

角度極限是銑床銑頭所允許的旋轉(zhuǎn)角度的物理極限，這些是以特殊機(jī)床的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的。假如需要銑頭傾斜50°來使用最短的刀具或者是切削倒角，那么如果銑頭只具備30°的旋轉(zhuǎn)極限，那當(dāng)然不能完成這次裝夾工況下的加工任務(wù)了。

當(dāng)考慮C軸時(shí)，角度極限顯得非常重要，許多五軸銑削機(jī)床C軸的角度運(yùn)動是不受限制的，當(dāng)然也有很多是有限制的。

例如，銑削可能僅能實(shí)現(xiàn)+360 °和 -360°的旋轉(zhuǎn)，假設(shè)使用可傾斜的刀具加工立壁，刀具必須沿著工件加工軌跡一圈一圈地運(yùn)動。在這個(gè)例子中，主要的運(yùn)動是由C軸連續(xù)運(yùn)動產(chǎn)生的。假如有一個(gè)受限的C軸，那么它將要求機(jī)床以一定時(shí)間間隔來完成整個(gè)工件的加工。

4、工作環(huán)境

編程者也許已經(jīng)對三軸的工作環(huán)境比較熟悉了，但對五軸加工，編程者仍必須重新考慮其工作環(huán)境。當(dāng)工件或主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)際的工作范圍會變小嗎？為了證實(shí)這個(gè)問題，可以把普通銑刀裝夾在主軸上，測量一下刀具立式方向上的工作范圍，以及刀具傾斜到最大值時(shí)的工作范圍。

不同的五軸機(jī)床使用不同的五軸控制器。某些控制器的最佳工作點(diǎn)是工件裝夾的原點(diǎn)正好與旋轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)重合時(shí)，某些控制器則以相反方向進(jìn)給時(shí)性能最佳。

許多帶有邏輯控制功能的五軸控制器能準(zhǔn)確地知道相對于工件的刀具原點(diǎn)在哪里，而與旋轉(zhuǎn)多少次無關(guān)。這種功能常常被稱為“旋轉(zhuǎn)刀具原點(diǎn)(RTCP)”。很多用戶發(fā)現(xiàn)先進(jìn)的RTCP功能使五軸應(yīng)用更為簡單。

五軸 CAM軟件

采用了五軸加工之后，3+2軸加工的問題也許并沒有完全得到解決，編程的問題轉(zhuǎn)化成了CAM系統(tǒng)的問題，振動控制也成了最重要的被考慮事項(xiàng)。CAM系統(tǒng)僅僅發(fā)現(xiàn)工件、刀具、錐柄之間的振動是不夠的，它必須還能自動消除這些振動，這樣，CAM 編程者就不需要手動調(diào)整上千萬個(gè)或者更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)的傾斜角度了。另外，CAM系統(tǒng)的五軸自動編程可獲得最優(yōu)化的刀具應(yīng)用，那就是最短的刀長（圖4）。

圖4 直徑較小的刀具正在銑削工件角落里的剩余材料，這得益于五軸自動編程可獲得最優(yōu)化的結(jié)果，那就是最短的刀長

與特殊工件如渦輪葉片、機(jī)翼面和推進(jìn)器的五軸功能不同，模具制造者沒有必要“垂直”切削CAD文件中所示的所有面，他們只須簡單地旋轉(zhuǎn)足夠的傾斜角以自動消除刀具、錐柄和工件間的振動即可。圖5顯示了自動刀柄振動消除和較多形式的切削方式的組合使五軸模具加工具有更高的效率和柔性。

圖5 不僅僅是簡單的錐柄振動檢查，自動刀柄振動消除對于深腔件的加工非常需要，尤其是高效加工，自動刀柄振動消除和較多形式的切削方式的組合使五軸模具加工具有更高的效率和柔性

當(dāng)評估用于加工模具的CAM軟件時(shí)，尤其是對于深腔模具加工，有許多因素需要考慮，如五軸功能的柔性、五軸切削路徑的可靠性、易用性、五軸銑削機(jī)床的極限、不能用五軸的情況等。

1、柔性

在五軸銑削策略中，柔性是需要考慮的一個(gè)重要特征。如果用戶正在使用一個(gè)帶有多種策略的三軸CAM軟件包，為什么還要考慮使用幾個(gè)五軸策略呢？

一個(gè)可以提供柔性的最新的途徑是，模具制造、沖壓工藝、刀具應(yīng)用三個(gè)方面都使用能自動生成刀具路徑的CAM軟件模塊。簡單說來，這個(gè)模塊能自動地把三軸切削路徑轉(zhuǎn)化為五軸加工的路徑，使旋轉(zhuǎn)刀具的傾斜角足以避免振動，這樣也帶來了更大的柔性，因?yàn)樗械娜S精加工路徑都可以轉(zhuǎn)化為五軸環(huán)境使用。

2、可靠性

五軸加工刀具路徑的可靠性非常重要，因?yàn)槲遢S中增加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，振動的可能性大大增加，因此振動檢測和避免措施必須可靠，否則會導(dǎo)致昂貴設(shè)備的損壞。

3、易用性

易于使用和五軸編程曾經(jīng)被認(rèn)為是互相排斥的，五軸編程被認(rèn)為是難點(diǎn)、費(fèi)時(shí)且干涉情況很嚴(yán)重。但要想保持競爭力，觀念必須轉(zhuǎn)變。如果在表面或?qū)嶓w模具加工中使用可自動生成刀具路徑的CAM軟件，那么創(chuàng)建五軸刀具路徑與創(chuàng)建三軸刀具路徑一樣簡單，因?yàn)檫@樣的CAM軟件可以進(jìn)行復(fù)雜深腔模具工件的五軸編程，而且可以避免振動。

4、五軸設(shè)備的限制

五軸設(shè)備的限制可影響到怎樣選擇模具的五軸加工。CAM軟件必須能模擬具體的五軸設(shè)備并調(diào)整刀具路徑以避免運(yùn)動到旋轉(zhuǎn)極限。如果某一五軸設(shè)備在C軸有極限，CAM軟件必須能將間斷的動作置入刀具路徑，同時(shí)保持無振動的刀具路徑。
另外，許多五軸配置在其A/B軸上有不同的極限，比如某種機(jī)床可在A軸-90°旋轉(zhuǎn)，但正向上只允許+15°旋轉(zhuǎn)，所以，可以理解CAM軟件自動將該極限考慮在內(nèi)以避免在正向超限。

5、不能使用五軸的情況

有些情況不宜采用五軸方案，比如刀具太短，或刀柄太大，使任何傾斜角的工況下都不能避免振動。CAM系統(tǒng)是否在此點(diǎn)停止？是否根本不能產(chǎn)生刀具路徑？是否顯示出了問題區(qū)域？

如果讓用戶承擔(dān)大量的試驗(yàn)和錯誤，或者重新計(jì)算整個(gè)刀具路徑，這勢必會對整個(gè)生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。最好是CAM系統(tǒng)就能夠找出問題區(qū)域，可使用較長的刀具、較短的刀柄或簡單地編輯出這些點(diǎn)。

圖6顯示了一些標(biāo)記點(diǎn)的振動范圍，隨后這些振動可以被自動消除（圖7），使工件的大部分仍可用短刀具切削。