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、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)來加以述說。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，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)床來做用。若能活用6軸控制自動(dòng)加工機(jī)床的特長，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。無論如何，避開工具和工作物之間的互相干擾來生產(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)有工具干擾的問題。粗加工及外形以3軸來進(jìn)行，翼面及翼面間的狹窄部份則以5軸同時(shí)來加工。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)，無法以旋轉(zhuǎn)工具來進(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)工具無法處理的。以往都是以刻模放電加工或手工整理來處理，現(xiàn)在可以利用非旋轉(zhuǎn)工具來進(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�，使其保持一定之姿�?shì)來對(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。