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模具制造的5軸加工
????????模具制造業(yè)主要圍繞鍛造模、拉伸模、注塑模和金屬壓鑄鑄造模等模具的制造。因此它為汽車、飛機、家電、生活用品和電子工業(yè)等工業(yè)零部件制造設(shè)備提供強大的支持。
????????作為工業(yè)之母，模具在從產(chǎn)品理念到成批生產(chǎn)構(gòu)件的整個生產(chǎn)工藝流程中占有關(guān)鍵的地位。這個行業(yè)產(chǎn)品的特征是產(chǎn)品幾何形狀較為復(fù)雜，許多模具有較深的型腔和較陡的側(cè)壁，模具的型芯和型腔大部分是自由曲面，并以單件生產(chǎn)為主，開發(fā)周期又短，因此需要采用既柔性又具高效的加工工藝。而復(fù)雜幾何形狀工件的加工和需要的工藝柔性則直接指向了5軸加工。
????????圖1. 擺動回轉(zhuǎn)軸的幾種配置(Siemens 公司)
????????5軸加工的優(yōu)勢在于能實現(xiàn)所有5個軸的同時運動，早在上世紀90年代就已為業(yè)界所知曉。其不僅能實現(xiàn)自由曲面、圓柱面和球形曲面的銑削加工以及實現(xiàn)工件的5 面加工外，重要的一點還在于能以較大的行距、短的銑刀、幾乎可以接近任意的幾何形狀和一個明顯穩(wěn)定的過程控制進行加工。此外，工件在定位基面加工后，通過一次裝夾即可實現(xiàn)全部加工，避免了多次換夾帶來的精度和時間問題。
????????5軸聯(lián)動加工
????????5軸聯(lián)動加工是通過在現(xiàn)有的3 個笛卡爾直線坐標軸上集成兩個附加的擺動回轉(zhuǎn)軸來實現(xiàn)的(圖1)，使銑刀以5個自由度相對于構(gòu)件的自由表面進行5軸聯(lián)動加工，對于一些較深或難于接近的型腔自由曲面(圖2)，憑借5軸加工就能采用相對短的銑刀(圖3)，增強銑刀的剛性和提高銑刀加工的穩(wěn)定性。
????????圖2. 5 軸銑削，特別為制造復(fù)雜幾何形狀的金屬鑄造模和塑料的注塑模創(chuàng)造了競爭優(yōu)勢(sescoi CAM公司/Meissner 模具公司)
????????通過5軸加工結(jié)合刀具的幾何角度也有利于加工難于切削的材料。而銑刀自由的幾何定位又使銑刀與工件的接觸保持最佳狀態(tài)，也就是銑刀的切削刀刃可以最佳地貼近工件輪廓，可使刀具達到較大的銑削行距，從而縮短加工時間。
????????圖3. 通過銑刀的連續(xù)擺動， 可采用較短或錐柄銑刀以實現(xiàn)一個穩(wěn)定和可靠的銑削過程。
????????與3軸聯(lián)動銑削相比，5軸聯(lián)動銑削工藝可以帶來工藝、幾何形狀和經(jīng)濟上的一系列的優(yōu)點。幾乎可以加工任意幾何形狀復(fù)雜的模具，而5軸加工的魅力還在于幾乎能在工件一次裝夾的情況下進行全部加工，由此提高了模具的加工精度、工件表面質(zhì)量，并能縮短加工時間(免去了工件的搬運和換夾)。
????????圖4. 3 軸銑削和5 軸銑削的比較
????????純粹的3軸機床，在加工幾何形狀復(fù)雜的模具時，存在一定的困難。例如在加工模具較小的槽角半徑時，因為銑刀的刀尖半徑不允許大于模具的這個槽角半徑。而在加工較深的型腔時，又往往必須采用細長的銑刀，這又會導(dǎo)致加工的不穩(wěn)定性和比較差的表面質(zhì)量。
????????表1. 5 軸聯(lián)動銑削相對于3 軸銑削的優(yōu)、缺點
????????又如當3軸加工遇到較小的脫模斜度時，往往也是難于進行銑削加工的。即使加工傾角較大的斜表面，也只能采用很多次較小的切削行距來切削這個表面。而采用5軸加工，銑刀相對這一表面以所需的角度在一次行程中便可切除表面上的材料。5軸銑削相對于3軸銑削既有優(yōu)點，也存有弊端(見圖4及表1)。而在加工非自由曲面時，采用3+2 軸加工具有較多的優(yōu)勢。
????????3+2軸定位加工
????????3+2軸的組合加工，通過擺動和回轉(zhuǎn)軸將切削刀具固定在一個傾斜的位置來實現(xiàn)零件各部位的加工，即實現(xiàn)3+2軸定位加工。3+2軸雖然不能加工自由曲面，但是可以進行復(fù)雜構(gòu)件的5面加工，在大多數(shù)情況下，不需要對工件進行2次甚至3次的換夾，這樣就不需要為多次裝夾去浪費時間。由此不僅提高了生產(chǎn)效率和加工精度，另外，還提升了機床加工的靈活性。顯然，采用這樣的5 軸機床(3+2軸)也是比較經(jīng)濟的，因為采購一臺新的5軸聯(lián)動加工中心的費用，大多要比購置一臺配備有雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的立式3軸加工中心的費用要高很多。此外，這種3+2軸的組合還具有另外一些優(yōu)點(表2)。
????????表2. 3+2 軸加工相對于5 軸聯(lián)動加
????????舉一個實例：對于純粹的5軸機床，第4和第5個軸多數(shù)是設(shè)置在工作臺上，由工作臺造成邊緣干擾的情況較多。這需要一個較高的工件夾具或采用較長的刀具，但隨之而來的是機床工作穩(wěn)定性的下滑，會引起振動，最終降低了機床的加工精度和效率。要是工件是裝夾在附加的工作臺上，邊緣的干擾就明顯減少。由此就可采用不易產(chǎn)生振動的短刀具。
????????3+2軸解決方案的其它優(yōu)點體現(xiàn)在移動的部件質(zhì)量上。5軸機床必須加速和制動整個機床工作臺和工件，而對于附加1個或2個軸只是裝有工件的回轉(zhuǎn)軸進行移動，就能明顯減少質(zhì)量，由此，也就降低了電能消耗。
????????近幾年來，5軸加工中心發(fā)展趨勢強勁，渦輪葉片、葉輪、成形?；蚱渌淖杂汕娴牧慵?，都需要5軸聯(lián)動的加工中心。但是也有很多的不同的加工任務(wù)，5軸聯(lián)動加工對于許多應(yīng)用情況是沒有必要、且不經(jīng)濟的，因為所有在5軸加工中心上所進行的加工90%是純粹的5面加工。而采用設(shè)置第4個和(如果必要)設(shè)置第5個軸的3軸立式加工中心則是高生產(chǎn)率的解決方案。也就是說，采用安裝有擺動和回轉(zhuǎn)軸的立式加工中心常常是經(jīng)濟、緊湊和柔性的加工方案。它能滿足采購費用、可接近性、作業(yè)面積和能源消耗等方面的要求。
????????圖5. 安裝有擺動和回轉(zhuǎn)工作臺的3 軸銑床就成為一種功能較強的5軸加工中心(Lehmann公司)。
????????在實際生產(chǎn)中，在3軸銑床上安裝雙軸回轉(zhuǎn)工作臺就成為一臺5軸加工中心(圖5)，利用這樣的3+2軸解決方案，與純粹的5軸機床相比，這種機床較容易實現(xiàn)工件的多面加工。如采用較大規(guī)格的工作臺，還可進行多工件加工，具有較高的生產(chǎn)率。
????????5軸銑削是一種要求很高的加工，銑削的最終成果在很大程度上取決于機床、刀具、編程和控制系統(tǒng)相互的最佳配合。
????????5軸機床
????????根據(jù)擺動和回轉(zhuǎn)軸的不同配置，可以組成各種不同類型的5 軸加工機床。既可以是立式的，又可以是臥式的和立柱移動式(可以有較大的工作空間)，也可以是龍門式(可適合于大件加工)的。而常見的是擺動和回轉(zhuǎn)工件臺5軸機床，在擺動軸的支座上常常設(shè)置一個回轉(zhuǎn)工作臺(也可以設(shè)置多個回轉(zhuǎn)工作臺，實現(xiàn)多軸加工，圖6)，這種機床適合于加工中小尺寸的工件，擺動工作臺有采用雙面支承(圖6)，也有單面支承的(圖7)。
????????圖6. MAG IAS 公司的主軸加工中心
????????目前，隨著直線電機和轉(zhuǎn)矩電機的廣泛應(yīng)用，直接驅(qū)動的5軸機床日益增多，這不僅使機床具有很高的加速度，并且也提高了機床的工作精度。采用5軸高速加工的銑床來加工零件就能在較短的時間里獲得很高的加工精度和表面質(zhì)量。
????????圖7. Grob 公司的5軸加工中心
????????加工復(fù)雜形狀的模具，當新的CNC程序初次調(diào)試時特別要注意刀具與工件的碰撞。為此，GF阿奇夏米爾公司開發(fā)的Mikron HPM 600U和HPM800U高效銑床就裝有機床主軸保護模塊(Machine Spindle Protection HPM)，利用這種系統(tǒng)就能避免主軸的損壞、使機床的幾何精度免受損失并減少了停機時間。
????????5軸高速加工中心的普遍特點是采用龍門式框架結(jié)構(gòu)，以增強機床剛性，而機床床身則采用聚合物混凝土，由于這種材料具有較好的阻尼性能和較低的熱傳導(dǎo)率，而機床的熱穩(wěn)定性對于確保加工的高精度是一個很重要的條件，為此，有些高精度加工中心則通過對所有介質(zhì)和構(gòu)件(如軸驅(qū)動裝置)冷卻過程的監(jiān)控進行機床內(nèi)部的溫度調(diào)控，以確保加工中心極高、且十分穩(wěn)定的加工精度。
????????5軸高速加工中心在價格上要比3軸加工中心高很多，根據(jù)德馬吉森精機DMC75V 系列的5軸加工中心與3軸加工中心進行價格比較，5軸要比3軸的價格約高50%。5軸高速加工中心價格雖高，但這種高檔機床特別適合用來加工復(fù)雜幾何形狀的模具。5軸加工中心在加工較深、較陡的型腔時，可以通過工件或主軸頭的附加回轉(zhuǎn)和擺動為立銑刀的加工創(chuàng)造最佳的工藝條件，并避免刀具及刀桿與型腔壁發(fā)生碰撞，減小刀具加工時的抖動和刀具破損的危險，從而有利于提高模具的表面質(zhì)量、加工效率和刀具的壽命。
????????根據(jù)德國專門從事汽車發(fā)動機箱體件和燃料容器等的模具制造廠家，Meissner公司的28臺銑削床中有14臺用于5軸聯(lián)動加工，有較豐富的使用經(jīng)驗。由于5軸銑削的眾多優(yōu)點，像銑削用于砂型鑄造的成型模時，該公司采用5軸銑削要比以前采用的3軸銑削的成本大約降低了一半。
????????數(shù)控編程和數(shù)控系統(tǒng)
????????目前，數(shù)控編程基本上都是通過CAD/CAM 系統(tǒng)來實現(xiàn)的，事實上，如果使用合適的編程系統(tǒng)，可顯著減少編程工作，且編程可靠。5軸銑削的編程并不會像3軸銑削的編程那樣費事，起碼不會那樣復(fù)雜。通常，利用CAD/CAM系統(tǒng)、3軸、3+2軸和5軸的銑刀路徑連同所選機床的運動是可視的，也就是利用CAM 系統(tǒng)可以通過模擬仿真來檢驗生成的刀具軌跡的精度以及檢查加工過程中諸如刀具、工件、刀夾和機床主軸之間的可能的碰撞，還可檢驗加工代碼的正確性。
????????CNC控制系統(tǒng)是高速5 軸加工中心的重要組成部分，它在很大程度上決定著機床加工的速度、精度和表面質(zhì)量。因此，對于加工模具自由曲面的高速機床，數(shù)控系統(tǒng)的性能具有特別重要的意義。
????????加工高精度自由曲面時，由微段直線和圓弧構(gòu)成的刀具軌跡造成龐大的零件程序，這些數(shù)據(jù)流需要由機床控制系統(tǒng)來儲存和處理，因此程序段處理時間的長短是決定CNC控制系統(tǒng)工作效率的重要指標。目前，高檔CNC控制系統(tǒng)的程序段處理時間一般可達0.5ms(如海德漢的iTNC530數(shù)控系統(tǒng))，而有個別數(shù)控系統(tǒng)的程序段處理時間已縮短到0.2ms-0.4ms或更短。
????????應(yīng)用于模具高速加工的現(xiàn)代CNC數(shù)控系統(tǒng)，除了具有為確保高速進給速度所必要的很短程序處理時間外，還應(yīng)具有Nurbs和樣條插補功能，并能以納米的分辨率進行工作，以便在高速加工的情況下獲得高的加工精度和表面質(zhì)量。
????????目前，高檔的數(shù)控系統(tǒng)也都能與不同廠家的CAD/CAM系統(tǒng)進行連接，數(shù)據(jù)從CAD/CAM系統(tǒng)經(jīng)以太網(wǎng)以很高的速度傳送到控制系統(tǒng)上。CAD/CAM集成到控制系統(tǒng)在很大程度上使模具復(fù)雜輪廓的加工獲得良好的效果，并對縮短調(diào)整時間和編程時間作出十分重要的貢獻。
????????刀具和刀夾
????????在模具加工中，主要采用精細顆粒整體硬質(zhì)合金刀具(球頭銑刀和有刀尖圓弧半徑的立銑刀)，大多數(shù)有硬涂層和特別的刀刃幾何角度。刀柄最大直徑16-20mm, 由于刀具通常較難接近工件輪廓，因此要采用細長結(jié)構(gòu)的夾頭?？紤]到細長的結(jié)構(gòu)和在高速銑削時必須的高回轉(zhuǎn)精度以及相應(yīng)的平衡品質(zhì)，適合于模具加工的主要有兩種刀夾：熱脹冷縮夾頭(利用刀夾材料受熱膨脹和冷卻縮小的特性，來實現(xiàn)刀具的夾緊和進行換刀)和應(yīng)力鎖緊夾頭(如三棱應(yīng)力鎖緊夾頭和液壓膨脹夾頭，這類是依靠夾頭的機械變形來實現(xiàn)刀具的夾緊)。在銑削模具零件時，由于材料切除量并不大，徑向切削力較小，選擇這類是合適的。
????????結(jié)語
????????5軸高速加工中心的開發(fā)和工作性能不斷提高是模具制造業(yè)得以高效和高精度加工模具的重要前提, 是加工復(fù)雜模具的關(guān)鍵設(shè)備。采用直接驅(qū)動的5軸加工中心, 能顯著提高加工中心的行程速度、動態(tài)性能和定位精度。5軸加工為構(gòu)件的全加工創(chuàng)造了條件，從而可以減少準備時間、減少工件搬運、測量和工藝流程時間。對制造模具來說，5軸聯(lián)動銑削已成為模具加工的關(guān)鍵工藝。特別是5軸高速硬銑可以大大簡化模具制造的整個生產(chǎn)工藝流程，提高模具的加工質(zhì)量、縮短模具制造時間和降低生產(chǎn)成本，從而大大提高模具制造企業(yè)的競爭力。
