五軸加工中心在模具加工中的應(yīng)用研究

薛　明

五軸加工中心在模具加工中的應(yīng)用研究

薛明

(東莞市技師學(xué)院，廣東 東莞 523468)

隨著人們生活水平的不斷提高，生產(chǎn)企業(yè)為了滿足消費(fèi)對產(chǎn)品的需求，產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)呈現(xiàn)出更新快、精度高、批量化、多樣化等特點。模具加工在各類產(chǎn)品的批量生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必需要避免模具加工制造中出現(xiàn)的生產(chǎn)效率過低、產(chǎn)品精度不高等問題。隨著設(shè)計和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的提高，生產(chǎn)企業(yè)中應(yīng)用的模具加工機(jī)床已由傳統(tǒng)三軸加工中心普遍升級為五軸加工中心，因此充分發(fā)揮五軸加工中心的技術(shù)優(yōu)勢，研究其在模具加工中的應(yīng)用，能夠有效提高生產(chǎn)效率和精度，保障產(chǎn)品質(zhì)量。

模具；五軸加工中心；三軸加工中心；刀具

五軸加工中心是數(shù)控五軸聯(lián)動加工中心的簡稱，目前已被廣泛應(yīng)用在航空、航天、船舶、輕工、汽車以及醫(yī)療等精密儀器制造領(lǐng)域，常用于加工復(fù)雜曲面的工件，具有效率高、精度高等特點。采用傳統(tǒng)模式進(jìn)行模具加工時，在銑削加工過程中一般主要使用立式加工中心或三軸加工中心，隨著我國模具制造加工技術(shù)的發(fā)展，立式加工中心以及三軸加工中心應(yīng)用的缺陷愈發(fā)明顯。使用立式加工中心或三軸加工中心進(jìn)行模具加工時主要使用球頭銑刀，雖然具有結(jié)構(gòu)簡單易懂、作業(yè)占地面積小、利于工件冷卻等優(yōu)勢，但是也存在著光潔度差、底面線速為零、加工范圍小等缺陷，而應(yīng)用五軸加工中心能夠完全克服上述缺陷。

1　五軸加工中心的功能和應(yīng)用優(yōu)勢

五軸加工中心分為立式和臥式兩種，一般情況下可確定為三個互相正交直線運(yùn)動軸聯(lián)合互相正交旋轉(zhuǎn)軸的聯(lián)動，在進(jìn)給運(yùn)動中，對工件坐標(biāo)系中的刀具軸線方向可進(jìn)行實時改變，通常應(yīng)用在曲面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的模具加工中，可有效提升工件的表面質(zhì)量和加工精度。五軸加工中心在工件的實際制造過程中，對于加工具有空間曲面結(jié)構(gòu)的零件優(yōu)勢顯著，在汽車領(lǐng)域零件制造、軍事領(lǐng)域裝備制造、航空航天設(shè)備制造、生物植入體制造中都得到了廣泛的應(yīng)用，特別是進(jìn)行異形轉(zhuǎn)子、葉輪、曲軸以及螺旋槳等零件一體化加工時，可充分發(fā)揮出五軸加工中心高效率、高精度的優(yōu)勢。

1.1　功能

1.1.1旋轉(zhuǎn)刀具中心點功能

旋轉(zhuǎn)刀具中心點功能也被稱為RTCP功能，是刀具圍繞中心點進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的簡稱，此功能主要描述的就是五軸機(jī)床平移軸運(yùn)動過程中加工刀具中心點的跟隨。在具體的加工階段刀具會與旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動產(chǎn)生聯(lián)動插補(bǔ)，通過數(shù)控系統(tǒng)對控制點的自動修正，使刀具軸線依據(jù)中心點部分旋轉(zhuǎn)，完成既定的運(yùn)動軌跡。RTCP功能的原理是數(shù)控系統(tǒng)可依據(jù)五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)以及工件位置等參數(shù)計算出處于工件坐標(biāo)系區(qū)間內(nèi)的刀具中心各個旋轉(zhuǎn)軸的擺長情況，并按照刀具具體擺長以及實際旋轉(zhuǎn)情況，計算處于坐標(biāo)下的平動補(bǔ)償情況。隨后將補(bǔ)償值作為坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以初始部分為工件坐標(biāo)系，使刀具逐漸朝著機(jī)床坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過此種方式獲取機(jī)床坐標(biāo)系運(yùn)動過程中的平移軸平動補(bǔ)償運(yùn)動參數(shù)。這種技術(shù)在工業(yè)制造過程中也被稱之為刀尖編程，編程時只需考慮刀具和工件之間的相對運(yùn)動，與機(jī)床的運(yùn)動無關(guān)，其主要優(yōu)勢在于只要應(yīng)用了具備RTCP功能的數(shù)控系統(tǒng)，對五軸加工中心就可進(jìn)行的獨(dú)立刀尖編程，不需要考慮機(jī)床結(jié)構(gòu)的差異，RTCP功能會針對偏差進(jìn)行補(bǔ)償修正，保證機(jī)床的加工效率和精度。

1.1.2表面優(yōu)化壓縮功能

機(jī)床在運(yùn)行過程中數(shù)控系統(tǒng)可依據(jù)相關(guān)參數(shù)制定公差范圍，提前讀取相應(yīng)數(shù)量的加工程序段，并實現(xiàn)相應(yīng)程序段的相關(guān)直線指令多項式樣條的擬合，使機(jī)床在具體運(yùn)動過程中可完成從小步距直線插補(bǔ)向大步距插補(bǔ)的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)對機(jī)床的不同軸速度以及加速度功能的優(yōu)化控制。通常情況下，較為復(fù)雜的自由曲面五軸加工程序包括較多小步距插補(bǔ)指令，其中不同指令中都由刀具軸線方向和刀具中心點部分的X、Y、Z位置坐標(biāo)組成，因為此類控制點坐標(biāo)和相應(yīng)刀具方向坐標(biāo)都是通過理論曲面計算獲得，沒有考慮到機(jī)床實際運(yùn)動狀況及其結(jié)構(gòu)，在加工過程中會受五軸加工程序的影響，機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸或平移軸會出現(xiàn)頻繁加速或減速，使得機(jī)床出現(xiàn)嚴(yán)重抖動和進(jìn)給速度不穩(wěn)的情況，影響工件表面的加工。充分應(yīng)用五軸加工中心的表面優(yōu)化壓縮功能，可有效優(yōu)化機(jī)床自身性能和加工軌跡，保證工件表面的加工質(zhì)量，提升機(jī)床各軸的速度與加速度，提高加工效率。

1.2　應(yīng)用優(yōu)勢

五軸加工中心按照應(yīng)用時聯(lián)動軸的數(shù)量可劃分為五軸定向加工和五軸聯(lián)動加工兩種模式，機(jī)床切削時的精度、剛度和刀具自由度會受到聯(lián)動軸數(shù)量的影響。五軸定向加工模式一般指平動軸聯(lián)動旋轉(zhuǎn)軸部分鎖定構(gòu)成的加工方式，經(jīng)常應(yīng)用在斜孔鉆銑、斜平面切削和具有較小的曲率變化自由曲面加工中[1，2]。此種加工方式的優(yōu)勢是可將傾斜幾何特征可轉(zhuǎn)變成為垂直或者水平，不但可簡化加工工藝，還能提升加工效率，在旋轉(zhuǎn)軸鎖定后依然能夠使機(jī)床保持自身最大的剛性，只要保證切削參數(shù)選擇的合理性，就可有效避免旋轉(zhuǎn)軸具體聯(lián)動運(yùn)動過程中產(chǎn)生的疊加運(yùn)動誤差等問題。五軸聯(lián)動加工模式主要是指加工過程平動軸和旋轉(zhuǎn)軸的聯(lián)動常應(yīng)用于加工復(fù)雜自由曲面，在零件的一體化加工中凸顯出極大的優(yōu)勢，適合加工回轉(zhuǎn)型曲面工件，而且可在具體加工過程中完成一次性裝夾，能大幅度縮短加工時間，在提升加工精度的同時，保證回轉(zhuǎn)類型零件的同軸性特征。

2　五軸加工中心的具體應(yīng)用

2.1　深腔模具加工

CAD繪圖是目前進(jìn)行零件設(shè)計的常用軟件，結(jié)合CAD軟件的應(yīng)用可以完成表面復(fù)雜深腔模具的加工。在深腔模具的加工過程中，如果應(yīng)用傳統(tǒng)的三軸加工中心，要保證實際加工效果與圖紙設(shè)計效果一致，則需要相應(yīng)調(diào)整刀具以及刀柄的參數(shù)，才能確保加工精度。而采用五軸加工中心的方式，可以在數(shù)控機(jī)床的主軸頭和工件中附加回轉(zhuǎn)以及擺動等功能，在進(jìn)行較陡以及較深型腔模具加工的同時，能夠提升型腔加工的工藝水平。應(yīng)用五軸加工中心進(jìn)行深腔模具的加工，比應(yīng)用三軸加工中心操作更為便捷，只需相應(yīng)縮短型腔加工刀具的長度，就可防止加工過程中刀具、刀桿與型腔之間出現(xiàn)碰撞的情況，以此來保護(hù)刀具，延長刀具使用壽命。

2.2　模具側(cè)壁的加工

使用三軸加工中心進(jìn)行模具側(cè)壁加工時，需要相應(yīng)增刀具的長度，以保證其大于模具側(cè)壁的深度。刀具長度的增加會在一定程度上影響其表面強(qiáng)度，當(dāng)?shù)毒唛L度超出三倍徑時，極易出現(xiàn)讓刀和損傷刀具的情況。即便在加工過程中三軸加工中心可準(zhǔn)確進(jìn)行走刀，加工零件的表面也會出現(xiàn)尺寸誤差大、上厚下薄等問題。采用五軸中心聯(lián)動加工方式進(jìn)行模具側(cè)壁的加工，可使控制主軸或工件在擺動過程處于垂直狀態(tài)，這時通過應(yīng)用平面銑刀來加工模具側(cè)壁，在提升工件加工質(zhì)量的同時，還能夠保護(hù)刀具。

2.3　較平曲面的模具加工

采用三軸加工中心方式進(jìn)行較平曲面模具的加工，需合理選擇球刀參數(shù)和相應(yīng)增加刀具的加工路徑，因為在加工較平曲面的模具時，球頭刀具的中心旋轉(zhuǎn)線速度接近零，極其容易損傷刀具，影響加工模具的表面質(zhì)量。應(yīng)用五軸加工中心進(jìn)行加工，可基于五軸加工中心對球刀以及工件表面角度進(jìn)行調(diào)整，確保刀具線速度，防止上述問題的發(fā)生。

2.4　不規(guī)則曲面的模具加工

采用三軸加工中心方式進(jìn)行不規(guī)則曲面模具的加工，需要保證刀具圍繞固定的切削輸入路徑來完成切削模具表面的加工。當(dāng)切削工件具有比較復(fù)雜的曲率時，刀具刀尖部分在加工過程中難以始終保持良好切削狀態(tài)和角度，無法滿足不規(guī)則曲面模具的高精度加工要求。應(yīng)用五軸加工中心聯(lián)動加工方式，可以確保刀具即使面對復(fù)雜曲率變化和較深的加工凹槽，刀尖都可以保持良好切削狀態(tài)，能夠自動選擇最優(yōu)路徑來完成加工，還可運(yùn)用畫直線的加工方式，提升加工精準(zhǔn)度。

2.5　不同幾何形狀的模具加工

采用五軸加工中心聯(lián)動的方式加工不同幾何形狀的模具，可使刀具在切削過程中始終保持良好的切削狀態(tài)，并且能使刀具按照加工表面曲率變化以及機(jī)床輸入要求任意轉(zhuǎn)換角度。在加工具體滑塊的凹槽部分時，無需轉(zhuǎn)換工序或再次裝夾工件，只需將程序提前設(shè)置好，刀具即可在操作中自如切削和轉(zhuǎn)換，從而提升加工效率，獲得良好的加工質(zhì)量[2]。

2.6　斜面具有斜孔的模具加工

三軸加工中心無法加工斜面具有斜孔的模具，而五軸加工中心可充分發(fā)揮擺頭式機(jī)床的優(yōu)勢，通過確定要需加工工件的斜面，明確主軸位置以及加工口大小，確保有兩個線性軸完成插補(bǔ)運(yùn)動操作，對加工口位置完成精準(zhǔn)定位后進(jìn)行操作，以保證斜面加工口的準(zhǔn)確性。在加工過程中，需調(diào)整模具的斜面，使其與加工主軸垂直，在進(jìn)行斜孔的加工時，只需主軸這一個線性軸，即能夠完成斜孔的加工成型，并且可確保斜孔精度。

2.7　無方向變化的直線模具銑削

當(dāng)模具加工過程在存在無方向變化的直線時，采用刀尖畫直線的方式，能夠加工出一條不存在方向變化的直線。五軸加工中心的刀具可根據(jù)軸線進(jìn)行切削加工，在加工過程需確保刀尖固定度，一旦刀尖如果在旋轉(zhuǎn)中出現(xiàn)位移，即便是輕微變化，也會導(dǎo)致工件表面出現(xiàn)劃痕或影響工件表面精度，因此在使用過程中需加以重視。除此之外，五軸加工中心具備五軸控制作用，在五軸同時加工時，雖然刀具圍繞中心軸線開展作業(yè)，但在進(jìn)行無方向變化的模具銑削時其刀尖依舊會在系統(tǒng)控制下保證固定不動，因此要求X、Y、Z三軸對其進(jìn)行補(bǔ)償，以確保工件表面的質(zhì)量和精度。

3　結(jié)語

在模具加工中，采用五軸加工中心的方式可有效降低三軸加工中心作業(yè)過程中對刀具的影響，尤其是在復(fù)雜零件加工中，還能有效提升加工效率和加工質(zhì)量，獲得良好的加工效果。此外，五軸加工中心相較于三軸加工中心，刀具應(yīng)用的合理性、高效性、精度都能得到有效提升，并且能夠延長刀具使用壽命，減少刀具的應(yīng)用類型和更換次數(shù)，簡化加工流程，縮短模具生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 張吉林.五軸加工中心在模具加工中的應(yīng)用研究[J].中國設(shè)備工程,2018(1):159-160.

[2] 黎宇弘.五軸加工中心在模具加工中的優(yōu)勢應(yīng)用點分析[J].中國設(shè)備工程,2018(16):103-104.

Research on the application of five-axis machining center in die machining

XUE Ming

(Dongguan Technician College, Dongguan, Guangdong 523468, China)

With the continuous improvement of people's living standards, in order to meet the demand of consumers for products, the design and production of products are characterized by rapid updating, high precision, batch, and diversification. Mold processing plays an important role in the mass production of various products. In order to ensure product quality, it is necessary to avoid the problems of low production efficiency and low product accuracy in mold processing and manufacturing. With the improvement of design and production standards, mold processing machine tools used in production enterprises have been generally upgraded from traditional three-axis machining centers to five-axis machining centers. Therefore, giving full play to the technical advantages of five-axis machining centers and studying their application in mold processing can effectively improve production efficiency and accuracy and ensure product quality.

die; five-axis machining center; three-axis machining center; cutter

TG659

A

2096–8736(2022)05–0033–03

薛明，男，四川巴中人，大學(xué)本科，講師，高級技師，主要研究方向為機(jī)械設(shè)計、數(shù)控技術(shù)、智能制造、CAD/CAM及CAPP技術(shù)。

責(zé)任編輯：陽湘暉

英文編輯：唐琦軍