定位5軸加工的優(yōu)越性

本文將論述依靠5軸加工的原因及其應(yīng)用范圍；5軸加工的策略思想和需要考慮的問(wèn)題；以及刀具路徑的優(yōu)化。
    在模具加工中，應(yīng)用5軸加工策略的一些主要優(yōu)點(diǎn)是：縮短加工時(shí)間、減少手工打磨和提高表面質(zhì)量。從商業(yè)角度考慮，它可以提高模具的加工質(zhì)量、縮短交貨時(shí)間，并且大幅度減少工件的調(diào)試設(shè)置誤差，所有這一切都將有利于提高企業(yè)的生產(chǎn)利潤(rùn)率。
    5軸加工在航空工業(yè)已有很多年的應(yīng)用歷史，但直到最近幾年，模具制造工業(yè)才顯示出對(duì)這種加工手段的“興趣”。5軸加工的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠減少?gòu)?fù)雜零件的加工時(shí)間，因?yàn)楣ぜ�只需一次調(diào)試裝卡。其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以使用較短的刀具，從而能進(jìn)一步提高加工精度。

圖1  采用5軸加工可使刀具與模具表面之間保持一個(gè)最佳的角度

可定位的5軸加工
    在某些CAM軟件中，早就具備了定位5軸加工（又稱(chēng)3+2加工）的功能了。在采用這種技術(shù)時(shí)，第4和第5加工軸處于旋轉(zhuǎn)位置，其加工由一組3軸操作執(zhí)行。
    除此之外，某些CAM軟件可提供連續(xù)的5軸加工，這可以讓用戶(hù)在復(fù)雜的表面、實(shí)體和三角測(cè)量模型上創(chuàng)建連續(xù)的5軸刀具路徑。刀具路徑經(jīng)過(guò)全面檢查，可支持一系列加工策略和各種刀具。
定位5軸加工的優(yōu)點(diǎn)
    定位5軸加工的優(yōu)點(diǎn)包括：可有效地使用較短的刀具，減少刀具的延伸長(zhǎng)度，加快切削速度，延長(zhǎng)刀具使用壽命，提高加工精度，并簡(jiǎn)單地通過(guò)創(chuàng)建一系列的方向性工作平面提高表面質(zhì)量。而且，采用5軸加工，工件只需很少的調(diào)試裝卡次數(shù)，從而節(jié)約時(shí)間，減少因多次調(diào)試裝卡所造成的誤差，大大提高機(jī)床的利用率。
    5軸加工的編程并不像聽(tīng)起來(lái)那么困難。它可通過(guò)某些CAM軟件，找到一些簡(jiǎn)單實(shí)用的編程方法。這些軟件包可以使高速加工技術(shù)得到很好的應(yīng)用，以獲取更高的成本效益。
    經(jīng)驗(yàn)豐富的用戶(hù)能夠創(chuàng)建樣板，為未來(lái)創(chuàng)建的程序節(jié)約了時(shí)間，同時(shí)減少了誤差，并且能夠在計(jì)算機(jī)上對(duì)整個(gè)工藝進(jìn)行模擬，以避免在車(chē)間加工中出現(xiàn)錯(cuò)誤。在準(zhǔn)備應(yīng)用5軸加工時(shí)，用戶(hù)可能需要調(diào)整工裝夾具系統(tǒng)的策略，盡可能在5軸調(diào)試裝卡過(guò)程中接近最大數(shù)量的零件特性。一般來(lái)說(shuō)，采用標(biāo)準(zhǔn)的工件夾具很明顯無(wú)法接近工件的多個(gè)側(cè)面。專(zhuān)用的5軸夾具裝置、卡盤(pán)夾緊機(jī)構(gòu)和磁性卡盤(pán)可以比較自由地讓刀具接近需要加工的零件。
    連續(xù)5軸加工的優(yōu)點(diǎn)是可以取消混合線，能夠連續(xù)地使適當(dāng)?shù)牡毒弑３衷诒砻娣较蛏线\(yùn)行加工，這將有利于提高表面質(zhì)量和延長(zhǎng)刀具的使用壽命�？傊�，走刀次數(shù)減少、加工周期縮短和一次性調(diào)試設(shè)置等優(yōu)點(diǎn)，有利于節(jié)約時(shí)間、減少設(shè)置誤差和更好地接近底部切邊。
    一般來(lái)說(shuō)，5軸加工的優(yōu)點(diǎn)還包括提高機(jī)床的使用效率，即只要使用一臺(tái)機(jī)床就可進(jìn)行3軸HSM加工、定位5軸加工、連續(xù)5軸加工和5軸鉆削加工以及更多其他的加工。一般來(lái)說(shuō)，這些機(jī)床的各坐標(biāo)軸都具有較快的行程速度和較高的主軸轉(zhuǎn)速。再加上5軸加工機(jī)床的體積較小、剛性更高，從而進(jìn)一步提高了機(jī)床的加工效果。
    然而，隨著這些因素的不斷發(fā)展，確實(shí)可以發(fā)現(xiàn)5軸加工工藝的成本正在直線上升。這通常是因?yàn)閷?duì)5軸加工在特殊市場(chǎng)中的應(yīng)用情況缺乏了解。當(dāng)車(chē)間一旦能夠全面了解在哪里可以獲得好處時(shí)，那么這種爭(zhēng)議就會(huì)很快消失。但必須牢記：高速加工和5軸加工背后的技術(shù)將會(huì)使這些方法進(jìn)一步改善，并開(kāi)辟出更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。技術(shù)方面的這些進(jìn)展在發(fā)展初期可能會(huì)比較昂貴，但在刀具使用壽命、工作效率和操作費(fèi)用等方面所體現(xiàn)出來(lái)的更大的優(yōu)越性將會(huì)抵消這些初期的費(fèi)用。

圖2  5軸加工可以獲得更好的表面質(zhì)量，因此可提高模具的加工質(zhì)量

加工策略
    5軸加工的應(yīng)用范圍包括對(duì)加強(qiáng)筋的加工、圓角的選擇、較深型腔或型芯的加工，以及淺水翼板表面等這類(lèi)零件的加工操作。5軸加工也可使圓頭槽銑刀以更有效的方位加工零件表面。拉削加工、底切加工、陡壁加工和5軸鉆削加工均是發(fā)揮5軸加工優(yōu)勢(shì)的大好機(jī)會(huì)。
    采用5軸加工技術(shù)來(lái)提高工藝水平可采取一系列的策略，其中包括通過(guò)一條曲線、一個(gè)點(diǎn)、輪廓外形、刀具位置的自動(dòng)計(jì)算和檢查所有刀具路徑上互相沖突的情況。某些CAM軟件也能支持全系列的刀具設(shè)計(jì)。
    其他的粗加工策略包括從一個(gè)點(diǎn)開(kāi)始，這意味著刀具是這樣校準(zhǔn)的：軸線通過(guò)一個(gè)特定的點(diǎn)，使切削端點(diǎn)與此相分離。針對(duì)一直線函數(shù)校準(zhǔn)刀具，這樣軸線就會(huì)通過(guò)一條規(guī)定的直線，而切削端點(diǎn)正對(duì)著這條直線。這兩種方法都允許其接近3軸加工無(wú)法達(dá)到的區(qū)域，或者提供更好的切削條件。

圖3  采用5軸加工可以比較容易地加工生產(chǎn)復(fù)雜的輪胎模具

    驅(qū)動(dòng)表面5軸的含義是投射方向和刀具方向由驅(qū)動(dòng)表面確定。這種特點(diǎn)承認(rèn)了一個(gè)單一的驅(qū)動(dòng)表面，但這是一個(gè)多表面零件，它保證了對(duì)半圓鑿的全面保護(hù)。5軸刀具路徑通常會(huì)碰到這樣一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)?shù)毒吲c加工表面保持正常的狀態(tài)時(shí)，刀具可能會(huì)出現(xiàn)搖晃的情況，這種情況可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生不佳的表面質(zhì)量。如果能夠使用一個(gè)簡(jiǎn)化的參考表面，就可解決這個(gè)問(wèn)題，消除這種效應(yīng)。
    切屑加工是一項(xiàng)采用立銑刀的側(cè)面切削加工技術(shù)。在加工的同時(shí)，沿著零件的表面推進(jìn)，例如像錐形加強(qiáng)筋的側(cè)壁。如果根據(jù)一組線框參考值，也可生成一條類(lèi)似的刀具路徑。各種類(lèi)型的刀具，包括錐形刀具都可用于切屑加工。
    線框切屑加工的優(yōu)點(diǎn)是，在某些情況下，它可以提高表面切屑加工的質(zhì)量。凡是內(nèi)表面結(jié)構(gòu)較差，或者邊緣匹配不太完美的地方，采用這種加工方法是比較合適的。
    5軸直通曲線加工的含義是刀具的位置由單一的曲線控制，以保證全面控制刀具路徑的運(yùn)行。這種加工方法的好處是：可消除刀具與機(jī)床碰撞的可能性，由于能更好地控制機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，因此可提高表面質(zhì)量。
   全集成刀具路徑驗(yàn)證可提供一種徹底的碰撞檢查手段。機(jī)床運(yùn)動(dòng)的驗(yàn)證和模擬可檢測(cè)和顯示潛在的碰撞情況，以及軸向運(yùn)動(dòng)，并允許在任何軸上用手工輕輕地推動(dòng)，以調(diào)節(jié)這種運(yùn)動(dòng)。然后再次選擇能提供自動(dòng)避免碰撞的CAM軟件，以防止機(jī)床損壞和造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

圖4  5軸加工允許采用較短的刀具

刀具路徑的優(yōu)化
    CAM軟件還可為用戶(hù)提供一種優(yōu)化刀具路徑的方法。彩虹投影法可以突出加工順序，而色彩的變化可以表示軸的反向運(yùn)動(dòng)。預(yù)見(jiàn)性可視化系統(tǒng)將會(huì)把刀具的幾何形狀、速度和進(jìn)給率考慮在內(nèi)。采用新的CAM系統(tǒng)分析尖端特性，用戶(hù)可以看到刀具的真實(shí)運(yùn)行進(jìn)程和效果，精確地顯示進(jìn)給率和速度對(duì)零件表面的影響，并可預(yù)測(cè)實(shí)際加工前的表面光潔度數(shù)值。
    點(diǎn)的重新分布提供了一種減少加工時(shí)間的有效方法。在最近的一個(gè)實(shí)例中，一臺(tái)進(jìn)給速度為7500mm/min的5軸加工中心，由于采用了點(diǎn)重新分布，因此與標(biāo)準(zhǔn)的公差數(shù)據(jù)比較，它可以使加工周期縮短39%。可讓編程員自由地控制刀具路徑的平滑度，以及刀具上各點(diǎn)的分布，從而達(dá)到了以上這些結(jié)果。
    采用正確的CAM軟件編程進(jìn)行5軸加工可為用戶(hù)提供一個(gè)實(shí)用的策略，縮短加工周期、減少調(diào)試裝卡次數(shù)和提高表面質(zhì)量，并可延長(zhǎng)刀具使用壽命，采用傳統(tǒng)的3軸加工是不可能達(dá)到上述效果的。