蔣金良，晉明昌，吳 丹，張旺杰

（寧波合力科技股份有限公司，浙江 寧波 315700）

0 引言

機(jī)械工業(yè)發(fā)展迅猛，產(chǎn)品多樣化、復(fù)雜化、高精密化已成為常態(tài)，這些變化對(duì)制造企業(yè)提出了更高的要求，尤其是在模具行業(yè)。模具行業(yè)作為工業(yè)之母，模具零件的加工成型及精度要求對(duì)加工工藝及工裝設(shè)備提出了更高的期望，因此從傳統(tǒng)的三軸CNC機(jī)床到四軸機(jī)床、再到五軸甚至六軸CNC設(shè)備的應(yīng)用，成為行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 概述

五軸加工設(shè)備根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為3種類型，分別是 HEAD-HEAD（雙擺頭結(jié)構(gòu)）、TABLE-HEAD（單擺頭單轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)）、TABLE-TABLE（雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)）。5個(gè)自由度如圖1所示，分別是X、Y、Z三個(gè)軸、一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和一個(gè)擺動(dòng)軸。旋轉(zhuǎn)軸可以360°旋轉(zhuǎn)，擺動(dòng)軸則只能在一定的角度內(nèi)進(jìn)行擺動(dòng)。

圖1 五軸坐標(biāo)系

在實(shí)際應(yīng)用中，有五軸定位加工和五軸聯(lián)動(dòng)加工2種模式。

在五軸聯(lián)動(dòng)加工過程中，引入旋轉(zhuǎn)刀具中心（rotational tool center point，RTCP）編程功能，如圖2所示。該功能實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)軸與刀具整體中心點(diǎn)的互補(bǔ)功能，也被稱為刀尖跟隨功能。

圖2 RTCP插點(diǎn)圖解

2 五軸加工技術(shù)在模具零件加工中的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

2.1 改善刀具切削狀態(tài)

當(dāng)切削刀具向加工面頂端或零件邊緣移動(dòng)時(shí)，刀具的切削狀態(tài)會(huì)逐漸變差。為了讓刀具保持最佳的切削狀態(tài)，需要用到旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)或刀軸，如果需要完整地加工不規(guī)則平面零件，則需將工作臺(tái)或刀軸以不同方向多次旋轉(zhuǎn)。

五軸加工中心偏轉(zhuǎn)刀具可以避免球頭刀具中心點(diǎn)切削速度為0的情況，在加工斜平面時(shí)，五軸加工可利用擺軸實(shí)現(xiàn)平底端銑刀的端面與加工表面始終保持垂直狀態(tài)的加工策略，如圖3所示，在延長刀具使用壽命和提高加工效率的同時(shí)，可獲得更佳的零件加工表面質(zhì)量。

圖3 銑刀切削位置對(duì)比

2.2 提升加工效率

針對(duì)深型腔部位的加工，五軸加工中心可以通過刀軸空間姿態(tài)角控制實(shí)現(xiàn)短刀具切削，有效提升刀具加工剛性及延長刀具使用壽命，減少刀具數(shù)量，盡可能避免使用專用刀具，提高常用刀具的通用性，最終到達(dá)降低生產(chǎn)成本的目的。

2.3 縮短加工周期

在加工零件時(shí)，一般利用五軸設(shè)備完成精加工工序。使用五軸設(shè)備可減少裝夾次數(shù)，有效提升零件裝夾效率，減少定位誤差，提高加工精度，節(jié)約了設(shè)備周轉(zhuǎn)損耗的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

3 典型案例分析

3.1 五軸加工及仿真控制實(shí)例應(yīng)用

選取除模塊底部外的5個(gè)加工面，針對(duì)三軸機(jī)床無法滿足加工要求的部分區(qū)域，采用五軸加工技術(shù)進(jìn)行加工，并分析五軸加工的優(yōu)勢(shì)。以汽車前輪罩壓鑄模加工中典型刀路程序?yàn)槔M(jìn)行說明。

輪罩壓鑄模為1模2腔結(jié)構(gòu)，分別成型左右件。型腔模塊為進(jìn)口H13等級(jí)材質(zhì)，熱處理工藝為淬火加3次高溫回火，硬度約45 HRC。模塊尺寸900 mm×508 mm×546 mm，型面特征高低起伏，加工難度較大，模塊加工工序如圖4所示。

圖4 模塊加工工序

模塊熱處理后的加工工藝如表1所示。

表1 模塊熱處理后的加工工藝

（1）經(jīng)過粗加工、熱處理后的模塊，仍保留2 mm的加工余量，先安排半精加工。此工序選用三軸加工中心，采用大徑圓角端銑刀對(duì)模塊型面進(jìn)行切削，以去除余量。

（2）型面完成大徑刀具的半精加工后，在五軸加工中心進(jìn)行半精加工，部分區(qū)域?yàn)楸苊獾侗缮娌捎梦遢S加工，如圖5所示，保留余量0.05～0.15 mm，確保精加工刀路在切削過程中余量的均勻性。部分五軸半精加工工藝如表2所示。

圖5 五軸與三軸同位置加工程序刀具夾持長度對(duì)比（D10R1半精加工刀路）

表2 部分五軸半精加工工藝

（3）模塊曲面采用硬質(zhì)合金R5球刀精加工方案。鑒于零件較高，為避免刀柄與零件干涉，縮短刀具裝夾長度，達(dá)到理想的加工效果，部分區(qū)域需采取3+2五軸定位精加工。五軸精加工工藝如表3所示。

表3 五軸精加工工藝（一）

在精加工結(jié)束后由于所選精加工刀具并不能將所有區(qū)域尺寸加工到位，尤其是一些圓角夾縫區(qū)域，這時(shí)需選用尺寸較小的刀具進(jìn)行區(qū)域加工，即清根加工。小徑類刀具剛性差，在加工過程中容易出現(xiàn)斷刀、彈刀的現(xiàn)象，利用CAM軟件的五軸加工盡量減少刀具的夾持長度可降低加工風(fēng)險(xiǎn)確保零件加工質(zhì)量。

（4）零件外形加工采用機(jī)床B軸擺動(dòng)180°，C軸旋轉(zhuǎn)至0、90°、180°及360°四個(gè)角度，用大徑圓角端銑刀D63R6進(jìn)行平面精銑。此加工策略將加工效率及零件表面質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)化，加工工藝如表4所示。

表4 五軸精加工工藝（二）

3.2 CAM軟件五軸機(jī)床仿真模擬功能

如圖6所示，對(duì)程序刀路在機(jī)床加工中的安全性進(jìn)行仿真模擬查驗(yàn)及后期優(yōu)化，結(jié)合五軸機(jī)床完成加工，加工的零件精度優(yōu)良，如圖7所示。

圖6 五軸加工機(jī)床模擬檢查

圖7 模塊掃描數(shù)據(jù)

4 五軸加工應(yīng)用對(duì)電加工工作量的影響

如圖8所示，深色部位是需要電加工的區(qū)域，五軸與三軸加工后電加工工作量對(duì)比如下。

圖8 五軸與三軸加工后電加工工作量對(duì)比

（1）五軸加工后的電加工實(shí)際工作量為20個(gè)電極。通過軟件模擬，三軸加工（包含三軸臥式加工）后的電加工工作量為30個(gè)電極。

（2）五軸可加工區(qū)域比三軸加工更多，即五軸加工后的殘余量比三軸加工的少。電加工部位的殘余量直接影響電加工效率，殘余量越少，電加工效率越高。

五軸加工技術(shù)應(yīng)用在減少電加工工作量、提高電加工效率方面優(yōu)于三軸加工。電加工通常作為模塊制造過程中的末道加工工序，減少電加工、提高電加工效率意味著零件質(zhì)量的提升和生產(chǎn)周期的縮短，對(duì)機(jī)械加工具有重大意義。

5 五軸與三軸典型加工策略數(shù)據(jù)對(duì)比分析

合理應(yīng)用五軸定位、五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)，通過刀軸擺動(dòng)優(yōu)化加工刀路使模塊表面質(zhì)量較三軸設(shè)備加工的表面質(zhì)量大幅提升，加工時(shí)長也大幅縮短，并通過粗糙度儀測(cè)得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。采用五軸與三軸常規(guī)加工相同區(qū)域的數(shù)據(jù)對(duì)比如表5所示。

表5 五軸與三軸典型加工策略數(shù)據(jù)對(duì)比

6 結(jié)束語

采用五軸加工技術(shù)可以有效地提高加工效率和零件表面質(zhì)量，降低刀具成本，減少電加工工作量，縮短模具生產(chǎn)周期。以生產(chǎn)的模塊為例，在刀具長度控制、刀具切削狀態(tài)優(yōu)化、單次裝夾多面加工等多方面驗(yàn)證了五軸加工技術(shù)在模塊加工中具有的優(yōu)勢(shì)。隨著科技的發(fā)展，制造加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，五軸加工技術(shù)在模具生產(chǎn)中的應(yīng)用將日益廣泛。