五軸加工應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

五軸銑削機床 
五軸銑削機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—— 一個旋轉(zhuǎn)軸是旋轉(zhuǎn)工作臺，另一個旋轉(zhuǎn)軸由主軸充當(dāng)。 
　　一般來說，購買三軸銑床時需考慮幾個不同的特征，如馬力、主軸轉(zhuǎn)速、軸向進給率、工作范圍和重量極限等。評估五軸機床時，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。 
1、重復(fù)定位精度 
　　重復(fù)定位性是指五軸機床具有的能返回同一點并保持矢量一致性的能力。對五軸機床的重復(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)速其實也意味著刀具相對與工件的旋轉(zhuǎn)速度，這個值越快，機床切削地也越快。許多老式五軸機床的轉(zhuǎn)速較慢，當(dāng)然達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重要的因素。許多五軸銑削機床帶有一個C軸，缺省時繞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，這些是以特殊機床的設(shè)計為基礎(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，角度極限顯得非常重要，許多五軸銑削機床C軸的角度運動是不受限制的，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動。在這個例子中，主要的運動是由C軸連續(xù)運動產(chǎn)生的。假如有一個受限的C軸，那么它將要求機床以一定時間間隔來完成整個工件的加工。 
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，實際的工作范圍會變小嗎？為了證實這個問題，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的工作范圍。 
　　不同的五軸機床使用不同的五軸控制器。某些控制器的最佳工作點是工件裝夾的原點正好與旋轉(zhuǎn)軸的交點重合時，某些控制器則以相反方向進給時性能最佳。 
　　許多帶有邏輯控制功能的五軸控制器能準確地知道相對于工件的刀具原點在哪里，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(RTCP)”。很多用戶發(fā)現(xiàn)先進的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。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)整上千萬個或者更多的數(shù)據(jù)點的傾斜角度了。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，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重要特征。如果用戶正在使用一個帶有多種策略的三軸CAM軟件包，為什么還要考慮使用幾個五軸策略呢？ 
　　一個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，因為所有的三軸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，因為五軸中增加了兩個旋轉(zhuǎn)運動，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)被認為是互相排斥的，五軸編程被認為是難點、費時且干涉情況很嚴重。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，因為這樣的CAM軟件可以進行復(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)大量的試驗和錯誤，或者重新計算整個刀具路徑，這勢必會對整個生產(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。 
圖6顯示了一些標記點的振動范圍，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。 

圖7 使用刀具自動防振裝置可產(chǎn)生同步五軸刀具路徑，以盡可能短的刀具完整地銑削工件
結(jié)論 
    同步五軸刀具路徑可利用短刀具加工整個工件，而無須用三軸環(huán)境下要求的長刀具。五軸加工能減少焊條的使用量以及EDM加工的操作步驟。同步五軸加工可減少3+2軸加工存在的問題，比如創(chuàng)建多個傾斜視圖并合并所有傾斜視圖。