五軸加工中心在模具加工中的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用點(diǎn)分析

黎宇弘

（廣東省智能制造研究所，廣東 廣州 510070）

伴隨著對(duì)消費(fèi)品的多品類、高質(zhì)量、快速更迭的需求，作為產(chǎn)品批量生產(chǎn)之母的模具，在其自身加工制造的精度與效率方面受到了挑戰(zhàn)。由于市場(chǎng)需求的推動(dòng)，模具加工所采用的機(jī)床也逐漸從傳統(tǒng)的三軸加工中心向五軸加工中心過(guò)度。因此，在模具加工中發(fā)揮五軸加工中心的加工優(yōu)勢(shì)，對(duì)提高模具生產(chǎn)的精度與效率，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 五軸加工中心概述

1.1 概念

五軸加工中心通常由三個(gè)相互正交的直線運(yùn)動(dòng)軸與兩個(gè)相互正交的旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動(dòng)，在產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的同時(shí)實(shí)時(shí)改變工件坐標(biāo)系中刀具軸線的方向。其常用于具有較為復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)的模具加工中，以此加工的模具通常具有更高的加工精度與表面質(zhì)量。另外，五軸加工中心在航空航天、軍事裝備、汽車零件、生物植入體等具有空間曲面結(jié)構(gòu)的高精度零件制造過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，尤其在葉輪、螺旋槳、異形轉(zhuǎn)子、曲軸等零件的一體化加工中，五軸加工中心起到了不可替代的作用。

1.2 功能特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)刀具中心點(diǎn)功能，又稱RTCP功能，是通過(guò)機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)與平移軸運(yùn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)加工時(shí)刀具軸線繞刀具中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的功能。RTCP功能也可以解釋為對(duì)機(jī)床的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)造成的刀具中心相對(duì)于工件坐標(biāo)系的平動(dòng)的補(bǔ)償。RTCP功能主要的實(shí)現(xiàn)原理是讓數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)、刀具的長(zhǎng)度和工件的位置，計(jì)算在工件坐標(biāo)系下刀具中心相對(duì)于每一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的擺長(zhǎng)；然后根據(jù)刀具的擺長(zhǎng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，計(jì)算工件坐標(biāo)下的補(bǔ)償平動(dòng)運(yùn)動(dòng)；最終對(duì)補(bǔ)償值進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，從工件坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)為機(jī)床坐標(biāo)系，得到機(jī)床坐標(biāo)系下平移軸的補(bǔ)償平動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在工業(yè)應(yīng)用中，該技術(shù)也被稱為“刀尖編程”，其實(shí)這只是應(yīng)用了RTCP功能的結(jié)果。采用刀尖編程的優(yōu)勢(shì)在于，只要使用同一品牌具有RTCP功能的數(shù)控系統(tǒng)，其編制的加工程序可以無(wú)需顧及各異的機(jī)床結(jié)構(gòu)運(yùn)行于各臺(tái)機(jī)床。

表面優(yōu)化壓縮功能，是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)機(jī)床設(shè)定的公差范圍，通過(guò)預(yù)讀一定數(shù)量的加工程序段，對(duì)該程序段的G1直線指令包含的五軸坐標(biāo)進(jìn)行多項(xiàng)式樣條擬合，將機(jī)床實(shí)際的運(yùn)動(dòng)從小步距的直線插補(bǔ)轉(zhuǎn)化為大步距的樣條插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床各軸速度和加速度的優(yōu)化控制的功能。復(fù)雜自由曲面五軸加工程序通常由許多步距非常小的G1插補(bǔ)指令組成，每一個(gè)G1指令都包含刀具中心點(diǎn)的X、Y、Z位置坐標(biāo)以及刀具軸線的方向。由于這些控制點(diǎn)坐標(biāo)及其對(duì)應(yīng)的刀具方向坐標(biāo)，只是由理論曲面計(jì)算得出，難以考慮機(jī)床的結(jié)構(gòu)以及機(jī)床實(shí)際可能的運(yùn)動(dòng)狀況，因此，五軸加工程序可能造成機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸或平移軸在某些加工位置頻繁加減速，導(dǎo)致機(jī)床產(chǎn)生嚴(yán)重的震動(dòng)與進(jìn)給速度不穩(wěn)定，嚴(yán)重降低工件的表面質(zhì)量。采用表面優(yōu)化壓縮功能，則可使機(jī)床根據(jù)自身結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化加工軌跡，提高工件表面質(zhì)量，而且由于機(jī)床各軸的速度和加速度得到優(yōu)化控制，加工速度也會(huì)獲得大幅提升。

1.3 應(yīng)用方式與優(yōu)勢(shì)

五軸加工中心根據(jù)使用時(shí)聯(lián)動(dòng)軸數(shù)量，分為兩種常用使用方式：3+2五軸定向加工與五軸聯(lián)動(dòng)加工，聯(lián)動(dòng)軸的數(shù)量深刻影響著切削時(shí)機(jī)床的剛度、總體精度以及刀具自由度。3+2五軸定向加工方式是指平動(dòng)軸聯(lián)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸鎖定的加工方式。這種方式通常用于斜平面的切削、斜孔鉆銑或者曲率變化較小的自由曲面加工等。其優(yōu)勢(shì)在于可以使傾斜的幾何特征旋轉(zhuǎn)為水平或垂直的特征，極大地簡(jiǎn)化了加工工藝，提高加工效率；并且伴隨旋轉(zhuǎn)軸的鎖定，機(jī)床本身得以保持更大的剛性，從而可以選擇更高效率的切削參數(shù)，也避免了旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)誤差的疊加。五軸聯(lián)動(dòng)加工方式是指平動(dòng)軸與旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動(dòng)的加工方式。這種方式通常用復(fù)雜自由曲面的加工，尤其是回轉(zhuǎn)型曲面工件加工，其優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)了該類零件的一體化加工，加工過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾，大大節(jié)約了加工時(shí)間，提高了加工的精度，保證回轉(zhuǎn)型零件的同軸性。

2 五軸加工中心在模具加工中的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用點(diǎn)

2.1 模具側(cè)壁的加工

為了便于產(chǎn)品脫模，模具模腔側(cè)壁通常設(shè)計(jì)為具有一定斜度的平面。使用傳統(tǒng)的三軸加工中心加工通常有兩種辦法進(jìn)行加工：一種采用球形或環(huán)形的刀具，將斜面與曲面等效處理，這種加工方式刀具與工件為點(diǎn)接觸，加工的效率非常低下；另一種采用定制斜度的錐形刀具，利用刀具側(cè)刃進(jìn)行高帶寬切削，這種加工方式刀具只適用一個(gè)斜度的斜面加工，并且因?yàn)榈毒唛L(zhǎng)度較長(zhǎng)、端部變細(xì)，導(dǎo)致刀具剛性較差，加工效果不一致。使用五軸聯(lián)動(dòng)加工中心加工模具側(cè)壁，對(duì)于凸形模具側(cè)壁，可以通過(guò)改變刀具的軸向，使刀具的軸線與模具側(cè)壁相互垂直，利用盤形銑刀或直徑較大的平頭銑刀進(jìn)行端銑，以獲得更好的加工質(zhì)量。對(duì)于凹形模具側(cè)壁，則無(wú)需采用定制斜度的錐形刀具，可直接使用通用的圓柱形球頭或環(huán)形刀具，通過(guò)刀具軸向的傾斜實(shí)現(xiàn)側(cè)刃銑削，在大幅降低刀具成本的同時(shí)，也減少了刀具的更換提高效率。

2.2 模具曲面的加工

模具的曲面部分加工，是模具加工中最為耗費(fèi)時(shí)間與成本的。使用三軸加工中心加工模具的曲面，主要是利用球頭銑刀的球形端部進(jìn)行切削。球頭銑刀具有確定的球心以及半徑，使自由曲面的加工切削點(diǎn)計(jì)算簡(jiǎn)化，刀具軌跡計(jì)算效率得以提升。在曲面曲率、曲面法向變化較大的曲面加工中，刀具切削的工作點(diǎn)產(chǎn)生大幅變化，但在一定的主軸轉(zhuǎn)速下，球頭銑刀其球頭上各個(gè)點(diǎn)由于其相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸的半徑不同，切削線速度相差甚遠(yuǎn)，加工后的曲面表面質(zhì)量一致性較差。如果加工的曲面存在法向量與刀具軸線平行的點(diǎn)，則采用球頭銑刀加工該點(diǎn)時(shí)切削速度為零。這意味著刀具在加工該點(diǎn)及該點(diǎn)附近的位置時(shí)，主要是依靠擠壓而非切削實(shí)現(xiàn)加工。這種加工狀態(tài)不僅會(huì)對(duì)機(jī)床和刀具產(chǎn)生較大的損傷，曲面的加工質(zhì)量也無(wú)法滿足需求。使用五軸聯(lián)動(dòng)加工中心加工模具曲面，對(duì)于凸形曲面可采用刀具圓柱面進(jìn)行側(cè)刃加工，相比于端部切削，側(cè)刃切削方式可以增加刀具與工件的接觸帶寬，提高切削效率。對(duì)于凹形的曲面可采用環(huán)形刀具代替球形刀具進(jìn)行加工。環(huán)形刀具與球形刀具都具有法向自適應(yīng)性，但環(huán)形刀具的優(yōu)勢(shì)在于環(huán)面軸向曲率半徑與刀具直徑不相關(guān)，加工小曲率半徑區(qū)域時(shí)，環(huán)形刀具的剛性更優(yōu)。對(duì)于環(huán)形刀具的環(huán)面上各點(diǎn)，其旋轉(zhuǎn)半徑的變化較小，加工的表面質(zhì)量一致性更優(yōu)秀。通過(guò)刀具軸線的變換，可以避免環(huán)形刀具端部平面對(duì)曲面的過(guò)切，使環(huán)形刀具更適用于模具曲面的加工，提高加工質(zhì)量。

2.3 模具曲面微細(xì)結(jié)構(gòu)雕刻

為了產(chǎn)品的美觀與功能，越來(lái)越多產(chǎn)品的表面上會(huì)增加花紋、標(biāo)志等，而在模具上進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)的雕刻十分困難。使用三軸加工中心與錐形尖端雕刻刀，只能對(duì)模具水平平面或較為平緩的水平曲面進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)雕刻。這種加工方式由于刀具尖端線速度非常低、刀具尖端脆弱易斷，加工效率低而且可加工的部位受限。使用五軸聯(lián)動(dòng)加工中心加工模具曲面微細(xì)結(jié)構(gòu)則可以配合單刃銑刀，甚至利用平頭銑刀的尖角部分，通過(guò)刀具軸線伴隨曲面法向改變的加工姿態(tài)與路徑，對(duì)模具任意曲面進(jìn)行微細(xì)雕刻，并能使加工的微細(xì)結(jié)構(gòu)服從曲面法向的變化，達(dá)到優(yōu)秀的加工精度與質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

在模具的數(shù)控加工工序中，與傳統(tǒng)的三軸加工中心相比，五軸加工中心不僅能夠完成更高精度、更高質(zhì)量的加工作業(yè)，而且能夠更合理利用刀具、延長(zhǎng)刀具的使用壽命與減少使用的刀具類型。并且使用五軸加工中心能大幅簡(jiǎn)化使用三軸加工中心難以完成的加工任務(wù)。五軸加工作為一種先進(jìn)的加工方式，如何進(jìn)行利用，以提升模具加工過(guò)程中的精度與效率，仍具有持續(xù)探討的價(jià)值。