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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(jī)、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(qiáng)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(gè)生產(chǎn)工藝流程中占有關(guān)鍵的地位。這個(gè)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(dòng)回轉(zhuǎn)軸的幾種配置(Siemens 公司)
????????5軸加工的優(yōu)勢(shì)在于能實(shí)現(xiàn)所有5個(gè)軸的同時(shí)運(yùn)動(dòng)，早在上世紀(jì)90年代就已為業(yè)界所知曉。其不僅能實(shí)現(xiàn)自由曲面、圓柱面和球形曲面的銑削加工以及實(shí)現(xiàn)工件的5 面加工外，重要的一點(diǎn)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(gè)明顯穩(wěn)定的過程控制進(jìn)行加工。此外，工件在定位基面加工后，通過一次裝夾即可實(shí)現(xiàn)全部加工，避免了多次換夾帶來的精度和時(shí)間問題。
????????5軸聯(lián)動(dòng)加工
????????5軸聯(lián)動(dòng)加工是通過在現(xiàn)有的3 個(gè)笛卡爾直線坐標(biāo)軸上集成兩個(gè)附加的擺動(dòng)回轉(zhuǎn)軸來實(shí)現(xiàn)的(圖1)，使銑刀以5個(gè)自由度相對(duì)于構(gòu)件的自由表面進(jìn)行5軸聯(lián)動(dòng)加工，對(duì)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(duì)短的銑刀(圖3)，增強(qiáng)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)(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(dá)到較大的銑削行距，從而縮短加工時(shí)間。
????????圖3. 通過銑刀的連續(xù)擺動(dòng)， 可采用較短或錐柄銑刀以實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定和可靠的銑削過程。
????????與3軸聯(lián)動(dòng)銑削相比，5軸聯(lián)動(dòng)銑削工藝可以帶來工藝、幾何形狀和經(jīng)濟(jì)上的一系列的優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)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(shí)間(免去了工件的搬運(yùn)和換夾)。
????????圖4. 3 軸銑削和5 軸銑削的比較
????????純粹的3軸機(jī)床，在加工幾何形狀復(fù)雜的模具時(shí)，存在一定的困難。例如在加工模具較小的槽角半徑時(shí)，因?yàn)殂姷兜牡都獍霃讲辉试S大于模具的這個(gè)槽角半徑。而在加工較深的型腔時(shí)，又往往必須采用細(xì)長(zhǎng)的銑刀，這又會(huì)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(dòng)銑削相對(duì)于3 軸銑削的優(yōu)、缺點(diǎn)
????????又如當(dāng)3軸加工遇到較小的脫模斜度時(shí)，往往也是難于進(jìn)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(gè)表面。而采用5軸加工，銑刀相對(duì)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(duì)于3軸銑削既有優(yōu)點(diǎn)，也存有弊端(見圖4及表1)。而在加工非自由曲面時(shí)，采用3+2 軸加工具有較多的優(yōu)勢(shì)。
????????3+2軸定位加工
????????3+2軸的組合加工，通過擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)軸將切削刀具固定在一個(gè)傾斜的位置來實(shí)現(xiàn)零件各部位的加工，即實(shí)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(jìn)行復(fù)雜構(gòu)件的5面加工，在大多數(shù)情況下，不需要對(duì)工件進(jìn)行2次甚至3次的換夾，這樣就不需要為多次裝夾去浪費(fèi)時(shí)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(jī)床加工的靈活性。顯然，采用這樣的5 軸機(jī)床(3+2軸)也是比較經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)椴少?gòu)一臺(tái)新的5軸聯(lián)動(dòng)加工中心的費(fèi)用，大多要比購(gòu)置一臺(tái)配備有雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的立式3軸加工中心的費(fèi)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(diǎn)(表2)。
????????表2. 3+2 軸加工相對(duì)于5 軸聯(lián)動(dòng)加
????????舉一個(gè)實(shí)例：對(duì)于純粹的5軸機(jī)床，第4和第5個(gè)軸多數(shù)是設(shè)置在工作臺(tái)上，由工作臺(tái)造成邊緣干擾的情況較多。這需要一個(gè)較高的工件夾具或采用較長(zhǎng)的刀具，但隨之而來的是機(jī)床工作穩(wěn)定性的下滑，會(huì)引起振動(dòng)，最終降低了機(jī)床的加工精度和效率。要是工件是裝夾在附加的工作臺(tái)上，邊緣的干擾就明顯減少。由此就可采用不易產(chǎn)生振動(dòng)的短刀具。
????????3+2軸解決方案的其它優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在移動(dòng)的部件質(zhì)量上。5軸機(jī)床必須加速和制動(dòng)整個(gè)機(jī)床工作臺(tái)和工件，而對(duì)于附加1個(gè)或2個(gè)軸只是裝有工件的回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行移動(dòng)，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(shì)強(qiáng)勁，渦輪葉片、葉輪、成形模或其他的自由曲面的零件，都需要5軸聯(lián)動(dòng)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(dòng)加工對(duì)于許多應(yīng)用情況是沒有必要、且不經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)樗性?軸加工中心上所進(jìn)行的加工90%是純粹的5面加工。而采用設(shè)置第4個(gè)和(如果必要)設(shè)置第5個(gè)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(dòng)和回轉(zhuǎn)軸的立式加工中心常常是經(jīng)濟(jì)、緊湊和柔性的加工方案。它能滿足采購(gòu)費(fèi)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(dòng)和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的3 軸銑床就成為一種功能較強(qiáng)的5軸加工中心(Lehmann公司)。
????????在實(shí)際生產(chǎn)中，在3軸銑床上安裝雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)就成為一臺(tái)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(jī)床相比，這種機(jī)床較容易實(shí)現(xiàn)工件的多面加工。如采用較大規(guī)格的工作臺(tái)，還可進(jìn)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(jī)床、刀具、編程和控制系統(tǒng)相互的最佳配合。
????????5軸機(jī)床
????????根據(jù)擺動(dòng)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(jī)床。既可以是立式的，又可以是臥式的和立柱移動(dòng)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(dòng)和回轉(zhuǎn)工件臺(tái)5軸機(jī)床，在擺動(dòng)軸的支座上常常設(shè)置一個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)(也可以設(shè)置多個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多軸加工，圖6)，這種機(jī)床適合于加工中小尺寸的工件，擺動(dòng)工作臺(tái)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(jī)和轉(zhuǎn)矩電機(jī)的廣泛應(yīng)用，直接驅(qū)動(dòng)的5軸機(jī)床日益增多，這不僅使機(jī)床具有很高的加速度，并且也提高了機(jī)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(shí)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(dāng)新的CNC程序初次調(diào)試時(shí)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(jī)床主軸保護(hù)模塊(Machine Spindle Protection HPM)，利用這種系統(tǒng)就能避免主軸的損壞、使機(jī)床的幾何精度免受損失并減少了停機(jī)時(shí)間。
????????5軸高速加工中心的普遍特點(diǎn)是采用龍門式框架結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)機(jī)床剛性，而機(jī)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(jī)床的熱穩(wěn)定性對(duì)于確保加工的高精度是一個(gè)很重要的條件，為此，有些高精度加工中心則通過對(duì)所有介質(zhì)和構(gòu)件(如軸驅(qū)動(dòng)裝置)冷卻過程的監(jiān)控進(jìn)行機(jī)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(jià)格上要比3軸加工中心高很多，根據(jù)德馬吉森精機(jī)DMC75V 系列的5軸加工中心與3軸加工中心進(jìn)行價(jià)格比較，5軸要比3軸的價(jià)格約高50%。5軸高速加工中心價(jià)格雖高，但這種高檔機(jī)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(shí)，可以通過工件或主軸頭的附加回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)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(shí)的抖動(dòng)和刀具破損的危險(xiǎn)，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(guó)專門從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)箱體件和燃料容器等的模具制造廠家，Meissner公司的28臺(tái)銑削床中有14臺(tái)用于5軸聯(lián)動(dòng)加工，有較豐富的使用經(jīng)驗(yàn)。由于5軸銑削的眾多優(yōu)點(diǎn)，像銑削用于砂型鑄造的成型模時(shí)，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(shí)現(xiàn)的，事實(shí)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(huì)像3軸銑削的編程那樣費(fèi)事，起碼不會(huì)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(jī)床的運(yùn)動(dòng)是可視的，也就是利用CAM 系統(tǒng)可以通過模擬仿真來檢驗(yàn)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(jī)床主軸之間的可能的碰撞，還可檢驗(yàn)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(jī)床加工的速度、精度和表面質(zhì)量。因此，對(duì)于加工模具自由曲面的高速機(jī)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(shí)，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(jī)床控制系統(tǒng)來儲(chǔ)存和處理，因此程序段處理時(shí)間的長(zhǎng)短是決定CNC控制系統(tǒng)工作效率的重要指標(biāo)。目前，高檔CNC控制系統(tǒng)的程序段處理時(shí)間一般可達(dá)0.5ms(如海德漢的iTNC530數(shù)控系統(tǒng))，而有個(gè)別數(shù)控系統(tǒng)的程序段處理時(shí)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(jìn)給速度所必要的很短程序處理時(shí)間外，還應(yīng)具有Nurbs和樣條插補(bǔ)功能，并能以納米的分辨率進(jìn)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(jìn)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(duì)縮短調(diào)整時(shí)間和編程時(shí)間作出十分重要的貢獻(xiàn)。
????????刀具和刀夾
????????在模具加工中，主要采用精細(xì)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(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的夾頭?？紤]到細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)和在高速銑削時(shí)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(shí)現(xiàn)刀具的夾緊和進(jìn)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(jī)械變形來實(shí)現(xiàn)刀具的夾緊)。在銑削模具零件時(shí)，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(dòng)的5軸加工中心, 能顯著提高加工中心的行程速度、動(dòng)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(zhǔn)備時(shí)間、減少工件搬運(yùn)、測(cè)量和工藝流程時(shí)間。對(duì)制造模具來說，5軸聯(lián)動(dòng)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(jiǎn)化模具制造的整個(gè)生產(chǎn)工藝流程，提高模具的加工質(zhì)量、縮短模具制造時(shí)間和降低生產(chǎn)成本，從而大大提高模具制造企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。
