模具加工：活用多軸控制

隨著制品、零件設(shè)計(jì)上的高度創(chuàng)意化，由3次元自由曲面。如何能更快又更有效率的生產(chǎn)沖壓模及塑膠模等金屬模，不論在將生產(chǎn)移至海外或模式變換的延長(zhǎng)、或是制造業(yè)面對(duì)如何降低制造成本等急劇的環(huán)境變化上，都是非常急重要的對(duì)應(yīng)策略。所以，從金屬模的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理及制造等工程上，必須利用電腦來(lái)進(jìn)行資訊化及系統(tǒng)化。

    在此前提下，為了要能有更迅速及更高品位對(duì)金屬模進(jìn)行加工，在此就以3次元形狀模式為基本，針對(duì)活用多軸控制自動(dòng)加工機(jī)床的加工技術(shù)來(lái)加以述說(shuō)。多軸控制自動(dòng)加工機(jī)床是具有并進(jìn)3軸、回轉(zhuǎn)3軸的6軸控制。

多軸控制自動(dòng)加工機(jī)床的利用

   要使金屬模加工能更具效率及有更高的精度及品質(zhì)，須在其一旦設(shè)定於加工機(jī)械上後，即能進(jìn)行多樣的加工。如此一來(lái)，就可以減少因?yàn)殡A段更換所產(chǎn)生的裝置誤差及增加實(shí)際加工時(shí)間。同時(shí)，我們也期望1臺(tái)機(jī)械能具有從粗加工到整理等多樣工程都能處理的復(fù)合加工機(jī)能。

多軸控制工作機(jī)械能進(jìn)行具有特徵的加工。具有并進(jìn)3軸及回轉(zhuǎn)2軸的5軸控制自動(dòng)加工機(jī)床，比一般的并進(jìn)3軸能有更多樣化的工具姿勢(shì)，所以能節(jié)省階段更換的時(shí)間，而且也可以進(jìn)行懸吊形狀加工等復(fù)雜的加工。雖然在20多年前就已經(jīng)開(kāi)始制造該種機(jī)械，但是因?yàn)?軸控制自動(dòng)加工機(jī)床具有復(fù)雜的構(gòu)造，十階鄞控制，所以只有在進(jìn)行特殊的加工上才會(huì)使用。然而，在設(shè)計(jì)技術(shù)及控制技術(shù)都十分進(jìn)步的今天，從只要將工倫物設(shè)冤一次即可周行高效及高精度的優(yōu)點(diǎn)而言，被廣泛應(yīng)用是可期待的。

    然而，一般的形狀加工上，為了要提高切削速度，必須將工具或工作物旋轉(zhuǎn)。所以工作物旋型的加工法，其形狀必須是圓形組合，而工具旋型的加工法，在加工位置則會(huì)留下à受到此一限制，就是因?yàn)楸仨氂行�轉(zhuǎn)動(dòng)作。若能進(jìn)行不受此限制的形狀加工，則加工形狀所受到的限制勢(shì)必減少。

    因此，提出下列的新加工法，就是在多能自動(dòng)加工機(jī)床的主軸上裝置適合加工形狀的非旋轉(zhuǎn)切削工具，并以3D方式來(lái)控制工具姿勢(shì)及位置。此種加工方式須采用6軸控制，且其切削速度和推送的速度相等，無(wú)法提高加工效率，但卻適合要求高品質(zhì)的部位或旋轉(zhuǎn)工具無(wú)法進(jìn)行加工之形狀。6軸控制自動(dòng)加工機(jī)床及非旋轉(zhuǎn)工具如圖1所示。

圖1：6軸控制自動(dòng)加工機(jī)床及非旋轉(zhuǎn)工具 圖2：加工工程及面粗度

    若不進(jìn)行6軸控制自動(dòng)加工機(jī)床的主軸旋轉(zhuǎn)分度控制，而采用一般旋轉(zhuǎn)的話，就變成5軸控制自動(dòng)加工機(jī)床，若再將旋轉(zhuǎn)2軸固定的話，即可當(dāng)做3軸控制自動(dòng)加工機(jī)床來(lái)做用。若能活用6軸控制自動(dòng)加工機(jī)床的特長(zhǎng)，即可得到很大的效果。

圖2是加工工程和表面精細(xì)的定性關(guān)性，表1則是各工程處理上必要的工具及控制軸數(shù)。

5軸控制加工的特征

    同時(shí)5軸控制加工的特征如圖3所示。利用珠頭銑床來(lái)進(jìn)行自由曲面加工時(shí)，在通十的部份可以將工具姿勢(shì)保持一定，且可維持一定的切削速度，所以能得到良好的面精度。而凸面或曲率較小的曲面，則可使用平頭銑床，增大其(Pickfeed)，而提高了加工效率。

圖3

    即使對(duì)懸吊的形狀工作物，不用重新設(shè)定也可進(jìn)行加工。無(wú)論如何，避開(kāi)工具和工作物之間的互相干擾來(lái)生產(chǎn)工具的路徑是非常重要的。

    具有此特徵的5軸控制自動(dòng)加工機(jī)床的構(gòu)造，是在3軸正交的并進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上又附加了旋轉(zhuǎn)傾斜2軸的構(gòu)成上，又可分成將工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)傾斜的工作臺(tái)傾斜型、將工具主軸旋轉(zhuǎn)傾斜的主軸傾斜型、以及工作臺(tái)和工具主軸各具有一軸可旋轉(zhuǎn)傾斜型等3大類。

    啟動(dòng)5軸控制多能自動(dòng)加工機(jī)床的軟體，是由兩動(dòng)處理系統(tǒng)構(gòu)成。等一種處理系統(tǒng)，針對(duì)球端銑刀或平頭銑床等任意形狀的工具，產(chǎn)生工具和工倫物避免發(fā)生互相干披之同時(shí)5軸控制工具路徑資料。

    因?yàn)榇颂幚聿皇且栏皆?軸控制自動(dòng)加工機(jī)床的構(gòu)造上，所以將此處理軸體稱為主處理器。

    5軸控制的加工，因?yàn)楣ぞ呖蓪?duì)工倫物采取任意的姿，主軸側(cè)(主軸、工具、卡盤)和工作臺(tái)側(cè)(工作臺(tái)、夾具、工作物等)間的干披就變成題所在。首先必須確立能自動(dòng)回避干披的方法。

    回避干擾的方法，和點(diǎn)群資料相似的工具形狀有關(guān)，以各切削點(diǎn)的初期工具姿和以3次元系統(tǒng)的固體模式來(lái)定義工作物形狀的資料以進(jìn)行內(nèi)外的判定，并調(diào)查有無(wú)干披的情形。

    若有干擾的情形時(shí)，求取適當(dāng)?shù)幕胤较蛳蛄�，決定不使切削點(diǎn)產(chǎn)生變化的新工具位置，最後即可求得不會(huì)發(fā)生干擾的工具姿勢(shì)。

葉輪形狀及工具路徑產(chǎn)生實(shí)例

    第二種處理系統(tǒng)，則是以產(chǎn)生的資料為基本，來(lái)制作實(shí)際上啟動(dòng)5軸控制自動(dòng)加工機(jī)床的資料之系統(tǒng)，稱之為後處理器。後處理器是依附工作機(jī)械的構(gòu)造上，為法單獨(dú)存在，它會(huì)考慮避免伴隨旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生過(guò)切等情形的線性、使面的進(jìn)給速速度能保持一定的進(jìn)給速度控制，并使各種工具姿勢(shì)下的切削速度保持一定的主軸旋轉(zhuǎn)數(shù)控制等，將資料變換成各軸的動(dòng)作。

    我們以相片1中的葉輪形狀來(lái)做為5軸控制自動(dòng)加工機(jī)床的加工實(shí)例。其形狀是由圓柱及自由曲面所構(gòu)成，3軸控制不但加工困難，同時(shí)也會(huì)有工具干擾的問(wèn)題。粗加工及外形以3軸來(lái)進(jìn)行，翼面及翼面間的狹窄部份則以5軸同時(shí)來(lái)加工。實(shí)線代表工具中心點(diǎn)及工具軸向量。在突出部份，會(huì)進(jìn)行工具干擾回避。相片2是加工後的形狀。

    5軸控制加工使用的切刃方面，大多是使用球端銑刀的尖端部份，若考慮整理面精度，也可以使用側(cè)面切削刃。圖4是其概念的圖示。若考慮整理加工的效率，也可如圖5所示，并用一個(gè)工具的尖端切削刃及側(cè)面切削刃。

葉輪形狀的工作物 利用前端切刀和側(cè)面切刀加工 利用前端切刀和側(cè)面切刀加工

6軸控制加工的特征

    使用非旋轉(zhuǎn)工具的話，可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)工具因?yàn)榇蚧�而無(wú)法處理的的切深，可以得到良好的加工面粗細(xì)度。因?yàn)榉切�轉(zhuǎn)工具加工的切削速度及進(jìn)給速度相等，可謂是適合整理的加工法。因此，為了提高整體的加工效率，粗加工到中整理為止，應(yīng)采用切削速度較快的旋轉(zhuǎn)工具，利用5軸控制的控制法的進(jìn)行加工，若無(wú)法進(jìn)行加工或想得到良好的面精細(xì)度，則最好的方法就是采用6軸控制。

代表6軸控制加工特徵的加工形態(tài)如圖6所示。

(a)是曲面精度良好的整理。至於旋轉(zhuǎn)工具，為了整理曲面，必須使盡量縮小，工具也必須不斷的移動(dòng)。非旋轉(zhuǎn)工具是以具有和曲面形狀相吻合的切削刃形狀之工具沿著形狀移動(dòng)，而得到平滑的表面，所以可采用較大的且移動(dòng)的次敗較少即可完成整理。

(b)是在曲面上進(jìn)行非對(duì)稱斷面形狀溝的任何形狀加工。溝角部的一方有，另一方則為四角形時(shí)，無(wú)法以旋轉(zhuǎn)工具來(lái)進(jìn)行加工，而可以具有和溝斷面相同之形狀的非旋轉(zhuǎn)工具來(lái)進(jìn)行加工。

(c)於曲面和曲面的交線加工時(shí)，因?yàn)榻痪�具有形狀特徵，所以稱之為特質(zhì)線加工。使用旋轉(zhuǎn)工具的話，交線具有，所以無(wú)法得到銳利的交線。而非旋轉(zhuǎn)工具，因可將切削刃控制在交線部份和兩個(gè)曲面的接面以垂直方向相接，并同時(shí)延著交線移動(dòng)，所以可以進(jìn)行無(wú)的加工。

(d)是指凹處加工中，使工作物的角罐有的加工。此種角隅加工是旋轉(zhuǎn)工具無(wú)法處理的。以往都是以刻模放電加工或手工整理來(lái)處理，現(xiàn)在可以利用非旋轉(zhuǎn)工具來(lái)進(jìn)行加工。

   在具有上述特色的6軸控制加工中，必須有彈性支撐，以避免在進(jìn)行非旋轉(zhuǎn)工具加工時(shí)產(chǎn)生跳痕。所以在設(shè)計(jì)托架時(shí)，應(yīng)考慮采取何種對(duì)策，另外，也要預(yù)估彈性變形量及其方向來(lái)決冤其工具路徑。

    非旋轉(zhuǎn)工具空間內(nèi)的任意位置上必須可以為任何姿勢(shì)，且須具有6個(gè)自由度。在加工機(jī)械的構(gòu)成上，也可考慮在使用旋轉(zhuǎn)工具之5軸控制自動(dòng)加工機(jī)床的主軸上配備分度功能。

    試作的6軸控制自動(dòng)加工機(jī)床上，其給軸(X軸)上配備有傾斜工作臺(tái)(A軸)，并可對(duì)具有旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(B軸)的5軸控制自動(dòng)加工機(jī)床主軸(Z軸)進(jìn)行分度旋轉(zhuǎn)(C軸)。其主軸可以在上下方向(Y軸)移動(dòng)。X、Y、Z的并進(jìn)移動(dòng)最小設(shè)定單位分別為0.1，A、B、C位為0.36秒。C軸和主軸的旋轉(zhuǎn)速度相當(dāng)，5軸控制時(shí)則為高速旋轉(zhuǎn)。

    此外，6軸控制時(shí)，必須有角度控制，而為了使工具的進(jìn)給速度和切削速度相等，必須具有高剛性的機(jī)械構(gòu)造。而在整理的切深量只會(huì)設(shè)定在數(shù)um，所以應(yīng)要求較高的位置決定精度。

    控制軟體必須在考慮工作物和工具的相互干擾前提下來(lái)生成工具路徑，基本上，就是應(yīng)該在5軸控制上加上主軸的旋轉(zhuǎn)分度控制。其控制軟體是由生成回避工作物及工具間互相交換之CL資料的主處理器及制作以資料為基本并對(duì)應(yīng)6軸控制自動(dòng)加工機(jī)床構(gòu)造之NC資的後處理器所共同構(gòu)成，和4軸控制的情形相同，會(huì)在圖6中所示的每一種加工形態(tài)中產(chǎn)生適切的NC資料。

    圖7是利用具有異形斷面的工具在曲面上進(jìn)行溝加工的概念，使用具有圖8所示之?dāng)嗝嫘螤畹墓ぞ撸�使其保持一定之姿�?shì)來(lái)對(duì)曲面的接平面進(jìn)行加工。加工的結(jié)果如相片3所示。

具有異形斷面狀的工具 曲面上之異形斷溝加工實(shí)例

    針對(duì)金屬模的迅速、高品質(zhì)加工上如何活用多軸控制多能向動(dòng)加工機(jī)床的新技術(shù)做了以上的說(shuō)明。因?yàn)槭褂眯�轉(zhuǎn)工具的5軸控制自動(dòng)加工機(jī)床，可以在較少的階段更換下進(jìn)行復(fù)雜形狀的加工，預(yù)估將會(huì)有更多人導(dǎo)入。

    其次，有整理效率化及新加工法，使用非旋轉(zhuǎn)工具的6軸控制加工法也是值得提倡的，只要設(shè)定時(shí)，從粗加工到整理都可以在高精度及高效率的情形下來(lái)進(jìn)行的6軸控制復(fù)合加工機(jī)械之出現(xiàn)，對(duì)今後的金屬模生產(chǎn)將會(huì)產(chǎn)生很大的影響。