五軸加工應用

　　當采用五軸加工時，必須考慮盡可能用最短的切削刀具完成整個模具的加工，從而獲得良好的表面質量，避免返工，同時減少焊條的使用量，縮短EDM的加工時間。 

　　成功的五軸加工應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量，避免了返工，減少了焊條的使用量，縮短了EDM的加工時間。當考慮到五軸加工時，必須考慮利用五軸加工模具的目標是：盡可能用最短的切削工具完成整個工件的加工，也包括減少編程、裝夾和加工時間卻能得到更加完美的表面質量。 

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精加工是不夠的。在這種情況下，差的表面質量和較長的加工時間隨之而來。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，主軸應傾斜，以保證工件的特殊區(qū)域也能被加工到。3+2軸加工通常被認為是設置一個對主軸的常量角度。復雜工件可能要求許多個傾斜視圖以覆蓋整個工件，但這樣會導致刀具路徑重疊，從而增加加工時間。 

　　另外，所有的傾斜視圖也很難準確結合，因而手工打磨的工作量會增加，同時還極大地增多了進出動作，常常導致表面質量問題和更多的刀具運動。 

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

圖2 3+2軸刀具路徑 

　　為了克服3+2軸加工的缺點，五軸聯(lián)動加工可能是一個更好的選擇，更何況有些五軸機床還具有一些專門為模具工業(yè)設計的功能。五軸聯(lián)動加工能協(xié)調三個直線軸和兩個旋轉軸使它們同時動作，解決了三軸和3+2軸加工的所有問題，刀具可以非常短，不會產生視圖重疊現象，遺漏加工區(qū)域的可能性更小，加工可以連續(xù)進行而無須額外的導入導出(見圖3)。 


圖3 五軸刀具路徑 

五軸銑削機床 

五軸銑削機床具有多種不同的配置，比如： 

□ 通過旋轉工作臺可使工件具有兩個自由度自由旋轉，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，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—— 一個旋轉軸是旋轉工作臺，另一個旋轉軸由主軸充當。 

　　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：重復定位精度、轉速、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、重復定位精度 

　　重復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。對五軸機床的重復定位精度來說，不僅僅是軸向位置的精度，還有角度值。 2、轉速 

　　轉速其實也意味著刀具相對與工件的旋轉速度，這個值越快，機床切削地也越快。許多老式五軸機床的轉速較慢，當然達不到高性能加工的生產力要求。 

　　轉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。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C軸來繞工件切削，這種情況下，C軸的轉速性能是取得成功的關鍵。 

3、角度極限 

　　角度極限是銑床銑頭所允許的旋轉角度的物理極限，這些是以特殊機床的設計為基礎的。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°的旋轉極限，那當然不能完成這次裝夾工況下的加工任務了。 

　　當考慮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，當然也有很多是有限制的。 

　　例如，銑削可能僅能實現+360 °和 -360°的旋轉，假設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。當工件或主軸旋轉時，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，而與旋轉多少次無關。這種功能常常被稱為“旋轉刀具原點(RTCP)”。很多用戶發(fā)現先進的RTCP功能使五軸應用更為簡單。 

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整上千萬個或者更多的數據點的傾斜角度了。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)化的結果，那就是最短的刀長 

　　與特殊工件如渦輪葉片、機翼面和推進器的五軸功能不同，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化為五軸加工的路徑，使旋轉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，否則會導致昂貴設備的損壞。

3、易用性 

　　易于使用和五軸編程曾經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，觀念必須轉變。如果在表面或實體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軟件可以進行復雜深腔模具工件的五軸編程，而且可以避免振動。 

4、五軸設備的限制 

　　五軸設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備并調整刀具路徑以避免運動到旋轉極限。如果某一五軸設備在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，但正向上只允許+15°旋轉，所以，可以理解CAM軟件自動將該極限考慮在內以避免在正向超限。 

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？是否根本不能產生刀具路徑？是否顯示出了問題區(qū)域？ 

    如果讓用戶承擔大量的試驗和錯誤，或者重新計算整個刀具路徑，這勢必會對整個生產產生不利影響。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 6 標記點的振動被徑向運動所替代 


圖7 使用刀具自動防振裝置可產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。