五軸加工應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

五軸銑削機(jī)床 
五軸銑削機(jī)床具有多種不同的配置，比如： 
□ 通過(guò)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)可使工件具有兩個(gè)自由度自由旋轉(zhuǎn)，這種情況下主軸只能沿軸向移動(dòng)。 
□ 主軸安裝方式可提供兩個(gè)自由度，使銑刀旋轉(zhuǎn)，這種情況下工件不能移動(dòng)。 
□ 系統(tǒng)可以是以上兩種情況的組合—— 一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸是旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，另一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸由主軸充當(dāng)。 
　　一般來(lái)說(shuō)，購(gòu)買(mǎi)三軸銑床時(shí)需考慮幾個(gè)不同的特征，如馬力、主軸轉(zhuǎn)速、軸向進(jìn)給率、工作范圍和重量極限等。評(píng)估五軸機(jī)床時(shí)，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(xiàng)。 
1、重復(fù)定位精度 
　　重復(fù)定位性是指五軸機(jī)床具有的能返回同一點(diǎn)并保持矢量一致性的能力。對(duì)五軸機(jī)床的重復(fù)定位精度來(lái)說(shuō)，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(shí)也意味著刀具相對(duì)與工件的旋轉(zhuǎn)速度，這個(gè)值越快，機(jī)床切削地也越快。許多老式五軸機(jī)床的轉(zhuǎn)速較慢，當(dāng)然達(dá)不到高性能加工的生產(chǎn)力要求。 
　　轉(zhuǎn)速對(duì)加工模具來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的因素。許多五軸銑削機(jī)床帶有一個(gè)C軸，缺省時(shí)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(guò)A/B軸傾斜并旋轉(zhuǎn)C軸來(lái)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(jī)床的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的。假如需要銑頭傾斜50°來(lái)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(shí)，角度極限顯得非常重要，許多五軸銑削機(jī)床C軸的角度運(yùn)動(dòng)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(shí)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(yùn)動(dòng)。在這個(gè)例子中，主要的運(yùn)動(dòng)是由C軸連續(xù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。假如有一個(gè)受限的C軸，那么它將要求機(jī)床以一定時(shí)間間隔來(lái)完成整個(gè)工件的加工。 
4、工作環(huán)境 
　　編程者也許已經(jīng)對(duì)三軸的工作環(huán)境比較熟悉了，但對(duì)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(shí)，實(shí)際的工作范圍會(huì)變小嗎？為了證實(shí)這個(gè)問(wèn)題，可以把普通銑刀裝夾在主軸上，測(cè)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(shí)的工作范圍。 
　　不同的五軸機(jī)床使用不同的五軸控制器。某些控制器的最佳工作點(diǎn)是工件裝夾的原點(diǎn)正好與旋轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)重合時(shí)，某些控制器則以相反方向進(jìn)給時(shí)性能最佳。 
　　許多帶有邏輯控制功能的五軸控制器能準(zhǔn)確地知道相對(duì)于工件的刀具原點(diǎn)在哪里，而與旋轉(zhuǎn)多少次無(wú)關(guān)。這種功能常常被稱(chēng)為“旋轉(zhuǎn)刀具原點(diǎn)(RTCP)”。很多用戶(hù)發(fā)現(xiàn)先進(jìn)的RTCP功能使五軸應(yīng)用更為簡(jiǎn)單。 
五軸 CAM軟件 
　　采用了五軸加工之后，3+2軸加工的問(wèn)題也許并沒(méi)有完全得到解決，編程的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成了CAM系統(tǒng)的問(wèn)題，振動(dòng)控制也成了最重要的被考慮事項(xiàng)。CAM系統(tǒng)僅僅發(fā)現(xiàn)工件、刀具、錐柄之間的振動(dòng)是不夠的，它必須還能自動(dòng)消除這些振動(dòng)，這樣，CAM 編程者就不需要手動(dòng)調(diào)整上千萬(wàn)個(gè)或者更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)的傾斜角度了。另外，CAM系統(tǒng)的五軸自動(dòng)編程可獲得最優(yōu)化的刀具應(yīng)用，那就是最短的刀長(zhǎng)（圖4）。 

                                        
圖5 不僅僅是簡(jiǎn)單的錐柄振動(dòng)檢查，自動(dòng)刀柄振動(dòng)消除對(duì)于深腔件的加工非常需要， 
尤其是高效加工，自動(dòng)刀柄振動(dòng)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(píng)估用于加工模具的CAM軟件時(shí)，尤其是對(duì)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(jī)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(gè)重要特征。如果用戶(hù)正在使用一個(gè)帶有多種策略的三軸CAM軟件包，為什么還要考慮使用幾個(gè)五軸策略呢？ 
　　一個(gè)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(gè)方面都使用能自動(dòng)生成刀具路徑的CAM軟件模塊。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，這個(gè)模塊能自動(dòng)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(dòng)，這樣也帶來(lái)了更大的柔性，因?yàn)樗�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?yàn)槲遢S中增加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)的可能性大大增加，因此振動(dòng)檢測(cè)和避免措施必須可靠，否則會(huì)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(rèn)為是互相排斥的，五軸編程被認(rèn)為是難點(diǎn)、費(fèi)時(shí)且干涉情況很?chē)?yán)重。但要想保持競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)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(jiǎn)單，因?yàn)檫@樣的CAM軟件可以進(jìn)行復(fù)雜深腔模具工件的五軸編程，而且可以避免振動(dòng)。 
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(yùn)動(dòng)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(dòng)作置入刀具路徑，同時(shí)保持無(wú)振動(dòng)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(jī)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(dòng)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(dòng)。CAM系統(tǒng)是否在此點(diǎn)停止？是否根本不能產(chǎn)生刀具路徑？是否顯示出了問(wèn)題區(qū)域？ 
    如果讓用戶(hù)承擔(dān)大量的試驗(yàn)和錯(cuò)誤，或者重新計(jì)算整個(gè)刀具路徑，這勢(shì)必會(huì)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。最好是CAM系統(tǒng)就能夠找出問(wèn)題區(qū)域，可使用較長(zhǎng)的刀具、較短的刀柄或簡(jiǎn)單地編輯出這些點(diǎn)。 
圖6顯示了一些標(biāo)記點(diǎn)的振動(dòng)范圍，隨后這些振動(dòng)可以被自動(dòng)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(dòng)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(gè)工件，而無(wú)須用三軸環(huán)境下要求的長(zhǎng)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(wèn)題，比如創(chuàng)建多個(gè)傾斜視圖并合并所有傾斜視圖。