對(duì)于五軸聯(lián)動(dòng)銑削加工技術(shù)的介紹

1引言
　　應(yīng)用高速切削(HSC)技術(shù)加工制造模具，具有切削效率高、可以明顯縮短機(jī)動(dòng)加工時(shí)間，加工精度高、表面質(zhì)量好因此可以大大縮短機(jī)械后加工如磨削、人工后加工和取樣檢驗(yàn)輔助工時(shí)等許多優(yōu)點(diǎn)。國(guó)外制造某種汽車車門拉伸模具時(shí)，粗銑后應(yīng)用高速銑削技術(shù)比傳統(tǒng)銑削工藝增加一道半精銑工序約10h，但精銑時(shí)間從36h縮短到30h，并完全節(jié)省了其后的鉗工平整走刀痕跡工作20h，鉗工鏟刮從30h減少到4h，鉗工拋光從20h減少為10h，總工時(shí)從106h縮短到了54h。
　　生產(chǎn)實(shí)踐表明，通過(guò)引進(jìn)和應(yīng)用高速銑削加工技術(shù)，尤其是相關(guān)的五軸聯(lián)動(dòng)銑削、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)/計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)和計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)技術(shù)，有力推動(dòng)了汽車模具制造的發(fā)展。
　　2五軸聯(lián)動(dòng)銑削
　　銑削加工能夠獲得良好的曲線型近似表面。使用球頭刀具進(jìn)行三軸聯(lián)動(dòng)銑削時(shí)，通過(guò)x、y、z3根軸方向的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，可以保證刀具切到工件上任意坐標(biāo)點(diǎn)，但刀具軸線的方向不可改變。刀具軸線上的點(diǎn)實(shí)際切削速度為零，刀具中央的容屑空間也很小。如果這些點(diǎn)參與切削，不利的切削條件會(huì)導(dǎo)致加工表面質(zhì)量下降，刀刃磨損加劇，加工時(shí)間延長(zhǎng)，使高品位的刀具材料得不到充分利用。
　　與三軸聯(lián)動(dòng)銑削比較，五軸聯(lián)動(dòng)銑削具有一系列優(yōu)點(diǎn)。此時(shí)，通過(guò)2根旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)，可以隨時(shí)調(diào)整刀具軸線的方向，使銑刀軸線與工件表面夾角和實(shí)際切削速度保持不變�？梢愿鼮殪`活地設(shè)定走刀路徑，以滿足對(duì)工件表面給定的峰谷深度的要求。其中使用球頭刀具加工時(shí)，無(wú)論刀具相對(duì)工件處于什么方位，總是在半球面上分離切屑。因此每次總是切下幾何形狀和尺寸相同的切屑。發(fā)生改變的是分離切屑時(shí)刀刃的運(yùn)動(dòng)軌跡，以及由此而確定的刀刃接觸條件和切削幾何運(yùn)動(dòng)條件。也就是說(shuō)，可以通過(guò)有目的地改變和確定刀具的方位，來(lái)影響切削過(guò)程和幾何運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并可從刀具磨損、表面質(zhì)量和加工過(guò)程穩(wěn)定性等方面入手優(yōu)化二者，如右圖所示。
　　當(dāng)然，五軸聯(lián)動(dòng)銑削的數(shù)控編程比較復(fù)雜，對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)的計(jì)算能力和速度要求更高，在需要機(jī)床各直線進(jìn)給軸作大幅度補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)的同時(shí)又要求避免發(fā)生干涉碰撞。因此在模具制造中，只能利用五軸聯(lián)動(dòng)銑削的優(yōu)點(diǎn)加工一定范圍內(nèi)的工件。
　　五軸聯(lián)動(dòng)銑削可以令人滿意地用于加工下凹較淺的零件，例如一種商用車車頂襯里的壓鑄模。當(dāng)數(shù)學(xué)描述復(fù)雜的工件表面可以采用銑刀側(cè)銑時(shí)，也能夠應(yīng)用五軸銑削加工。國(guó)外一家汽車制造配套廠家，利用五軸銑削的走刀行程同時(shí)加工出活動(dòng)組合模具的外形輪廓和壓邊圈。但是，下凹深且局部形狀復(fù)雜的模具一般不能夠采用通常的五軸銑削加工，因?yàn)榈毒呖赡軙?huì)與工件發(fā)生干涉。
　　限于技術(shù)發(fā)展當(dāng)前的水平，五軸聯(lián)動(dòng)切削機(jī)床2根旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)速度和加速度較低，導(dǎo)致五軸聯(lián)動(dòng)銑削往往不能夠充分發(fā)揮高速切削機(jī)床的性能和威力。此時(shí)，比較恰當(dāng)?shù)恼壑蟹桨甘?+2軸加工，既保證工件輪廓上各點(diǎn)切削時(shí)幾何運(yùn)動(dòng)條件基本相同，又使軌跡運(yùn)動(dòng)速度和加速度比較高。實(shí)際運(yùn)用中首先將工件輪廓?jiǎng)澐譃椴煌瑓^(qū)域，在各區(qū)域內(nèi)盡可能最優(yōu)地調(diào)整刀具的方位。隨后采用三軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)方式切削加工工件各區(qū)域輪廓，雖然不能保證切削條件完全不變，但可以避免發(fā)生不利的情況例如刀具頭部中央?yún)⑴c切削。
　　實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，使用圓柱立銑刀五軸聯(lián)動(dòng)銑削時(shí)走刀間距寬闊，對(duì)于所需要的人工后加工反而產(chǎn)生不良作用，因?yàn)楣ぜ�輪廓上指明后加工位置的凸峰彼此間隔也遠(yuǎn)得多，人工打磨后形成起伏不平表面的可能性增大，這在汽車覆蓋件模具是不允許的。相比之下，使用球頭刀具走刀間距小得多，產(chǎn)生的近似輪廓上很接近的凹槽低谷，能夠?yàn)槿斯ご蚰ツ＞弑砻嬷该鞣轿弧?
　　模具工業(yè)對(duì)機(jī)床工業(yè)提出了特殊要求，其中一個(gè)突出的發(fā)展趨勢(shì)是五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床。統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，德國(guó)一些專門化機(jī)床生產(chǎn)廠家全部產(chǎn)品的50%～80%提供給模具制造廠家，其中有至少16%最多達(dá)到50%～60%的五軸聯(lián)動(dòng)控制機(jī)床。甚至還有廠家批量生產(chǎn)和提供最多可以六軸插補(bǔ)的數(shù)控機(jī)床，主要用于加工斜面和孔。除此之外，仍然有相當(dāng)比例的仿型銑床提供給模具制造廠家，不過(guò)數(shù)量逐年下降。通用機(jī)床生產(chǎn)廠家也有很高比例的產(chǎn)品提供給模具制造廠家，但主要用于加工制造中小模具，如家用器具模具或玩具模具。其中五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的比例不高，僅占大約3%～5%。
　　機(jī)床的每一根運(yùn)動(dòng)軸都是一個(gè)誤差來(lái)源。五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床上2根旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)的出現(xiàn)，使得加工精度比三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床較難達(dá)到指定數(shù)值，但0.1mm數(shù)量級(jí)的模具制造精度不難達(dá)到。機(jī)床制造廠家認(rèn)為，精度問(wèn)題不是決定性的，并沒(méi)有阻擋投資生產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床這一發(fā)展趨勢(shì)。影響五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度和速度的首要因素是控制系統(tǒng)的性能，然后是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，以及機(jī)械設(shè)計(jì)的水平。
　　3模具加工的自動(dòng)控制
　　只有建立從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、數(shù)控編程到銑削加工的全局觀念，也即CAD/CAM技術(shù)集成一體，才能夠?yàn)槲遢S聯(lián)動(dòng)銑削自由表面提供適宜的實(shí)現(xiàn)途徑。擁有五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的模具制造廠家，對(duì)單單只采用CAM技術(shù)的做法提出了批評(píng)。在實(shí)踐中可以發(fā)現(xiàn)，汽車制造配套廠家有一小部分工作，是直接利用CAD數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)控銑削完成。而大部分的工件幾何數(shù)據(jù)，還是由客戶以仿型樣件或設(shè)計(jì)模型的形式提供。不幾年前，汽車工業(yè)開(kāi)始要求完全放棄使用樣件和模型來(lái)制造模具，盡管這一目標(biāo)短時(shí)間內(nèi)不容易實(shí)現(xiàn)。
　　與仿型銑削平均加工精度為0.6mm相比，數(shù)控銑削加工精度較高，可以控制在0.2mm以內(nèi)。淘汰仿型加工和模具涂色配刮，還可以防止產(chǎn)生累積誤差。例如單是溫度的變化，就能夠在大的樣件上造成大于0.1mm的尺寸變動(dòng)。再如當(dāng)成品模型或其零件損壞后不可修復(fù)需要更換時(shí)，對(duì)連接表面的加工精度要求在5μm之內(nèi)，只能通過(guò)直接數(shù)控銑削獲得。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，這樣生成的表面，需要的人工后加工工作量可以減少50%。這些實(shí)在的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于模具制造具有決定性意義。因此，越來(lái)越多廠家完全直接應(yīng)用數(shù)字控制技術(shù)，來(lái)制造全部模具。
　　經(jīng)過(guò)努力開(kāi)發(fā)，象三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控一樣，在現(xiàn)代模具制造中五軸聯(lián)動(dòng)NC系統(tǒng)也允許操作者通過(guò)控制臺(tái)旋鈕讓機(jī)床超速進(jìn)給，以便盡可能提高刀具的移動(dòng)速度。面對(duì)用戶的抱怨，即經(jīng)由CAD數(shù)據(jù)、CAM處理器、NC處理器和后處理器正常生成NC加工程序時(shí)，后繼編輯和補(bǔ)償所需的數(shù)據(jù)在機(jī)床控制系統(tǒng)中已經(jīng)不復(fù)存在，控制系統(tǒng)制造廠家正在改變方法，把全部CAD數(shù)據(jù)直接傳送到CNC系統(tǒng)中提供利用。這樣一來(lái)，盡管NC加工程序中并未包含例如同切削點(diǎn)法向矢量有關(guān)的信息數(shù)據(jù)，NC系統(tǒng)仍然能夠進(jìn)行三維的刀具補(bǔ)償。此外，還允許直接在機(jī)床旁方便地改變例如加工策略、刀路、使用的刀具、工件位置等工藝內(nèi)容。僅僅這一項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)，可以成倍提高數(shù)控加工整個(gè)過(guò)程的運(yùn)行速度。
　　針對(duì)NC編程語(yǔ)言影響過(guò)程運(yùn)行的速度和精度的問(wèn)題，有制造廠家把改進(jìn)目標(biāo)放到要讓NC系統(tǒng)能夠較為直接地處理曲面的CAD描述上，也即不經(jīng)過(guò)NC編程語(yǔ)言中間搭橋。其結(jié)果，使NC系統(tǒng)處理程序塊的正常時(shí)間降低到2ms，最短時(shí)間可達(dá)到0.5ms。這樣一來(lái)，NC系統(tǒng)的速度不再是瓶頸，需要拖帶沉重工件即汽車模具的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)而變?yōu)楸∪醐h(huán)節(jié)。
　　由于CAD數(shù)據(jù)經(jīng)常存在缺陷或不完整，還有NC系統(tǒng)制造廠家便想方設(shè)法方便用戶介入CAM過(guò)程，去發(fā)現(xiàn)和修正不正確的數(shù)據(jù)，但刀具補(bǔ)償還是由NC系統(tǒng)完成。此時(shí)除了補(bǔ)償?shù)毒唛L(zhǎng)度，還可以在狹小的公差范圍內(nèi)補(bǔ)償小的、重磨的刀具的半徑，并且不需要改編刀路。以上這些制造廠家目前提供的NC系統(tǒng)，都可以對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)銑削加工補(bǔ)償?shù)毒唛L(zhǎng)度和工件位置。
　　另外，對(duì)模具制造具有重要意義的速度預(yù)控制(前瞻)功能，已經(jīng)成為現(xiàn)代CNC系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)特征。這一功能的設(shè)立，可以使NC系統(tǒng)預(yù)先處理多個(gè)即將到來(lái)的程序塊，以便進(jìn)給加速度和刀路速度與被銑削的工件輪廓相適應(yīng)，不讓進(jìn)給速度在每一程序塊終結(jié)時(shí)降低到零。在模具制造中常見(jiàn)的自由表面，往往要求加工時(shí)密布中間插值點(diǎn)，這時(shí)利用前瞻功能可以控制機(jī)床產(chǎn)生平滑的軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保持很高的刀路速度。有制造廠家進(jìn)一步開(kāi)發(fā)成功具有適應(yīng)前瞻功能的NC系統(tǒng)，能夠在運(yùn)行過(guò)程中作機(jī)床誤差補(bǔ)償。另一方面，由于需要的計(jì)算量太大，目前機(jī)床控制系統(tǒng)還不能夠通過(guò)在線計(jì)算發(fā)現(xiàn)加工干涉情況，需要在今后繼續(xù)努力改進(jìn)。
　　4結(jié)束語(yǔ)
　　五軸聯(lián)動(dòng)高速銑削加工技術(shù)在汽車模具制造中應(yīng)用日益廣泛，推動(dòng)了汽車模具制造的發(fā)展。應(yīng)用五軸銑削加工需要注意到適用的工件形狀、有利的加工方案和合適的刀具。只有通過(guò)綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)，尤其需要努力加強(qiáng)機(jī)床計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的功能，才能夠充分發(fā)揮五軸高速銑削加工的優(yōu)點(diǎn)而取得成效。