采用不同的刀具和方法優化五軸加工
2013-12-28 來源：數控機床市場網 作者：-
使用五軸加工可以從幾個方面提供諸多益處。通過分析設備、工藝和裝夾，尤其是切削刀具和切削作用，就能從中而受益。
除了通過全五軸加工才能完成某些特征外，也可選擇性地簡化利用五軸的加工工藝。其中包括使用三加二軸，或有時僅使用三軸，尤其是對于各種粗加工、半精加工和修銑工序。
盡管有些零件特征具有雙曲線輪廓，并且會同時沿著五軸運動，但使用正確的刀具再保持適當的恒定吃刀量，就能高效地加工出幾乎任何曲度。
使用五軸加工的主要好處
顯而易見是能夠高效地獲得復雜的三維（雙面）零件特征，不僅精度高，而且表面質量極佳。一般僅需一次裝夾和最少的切削工序，切削時間大為縮短，刀具懸伸始終保持盡可能地短。此外，往往也會提高金屬去除率，并且刀具碰撞風險可控。對五軸加工、聯動加工以及三加二軸加工而言，切削刀具和工藝選擇是獲得成功結果的關鍵因素。與三加二軸加工相比，聯動加工時的工藝選擇更為重要，因為前者挑戰性較低，可以當作三軸工序看待。
圖1 (圖片編號 101108)
五軸CNC加工基于機床在五個軸上運動而生成3D零件形狀的能力。而且，真正的五軸聯動加工指的是除了能夠沿著旋轉軸定位刀具外，切削時刀具還能順著這些軸進給。其必然結果是使得機床一次裝夾就能形成復雜的零件形狀。除三個基本軸（x、y和z）之外，還包括兩個附加軸（b和c，或者有時為a和c，具體取決于機床配置），切削時繞著z軸和繞著y軸（或x和y）旋轉。當機床主軸或工作臺以某一角度固定，并且在三軸模式下進行加工時，即為三加二軸加工。從機床的角度來看，有多種方法可以獲得五軸加工：五軸加工中心、傾斜工作臺布置或通過主軸頭附件。
圖2 (圖片編號 081744)
采用CoroMill Plura（金剛銑）整體硬質合金立銑刀五軸聯動加工葉輪
旋轉刀具產生在零件表面上的紋路是主要的考慮因素。為此，切入角和刀具傾斜角度通過CAD-CAM程序實現，并且應在設計裝夾方式時予以考慮。不僅切削刃的主偏角，而且刀具吃刀量和后角大小都會產生影響，以至于避免背切現象，
切入角可根據刀具中心線和進給方向上刀具接觸點處垂直于工件表面的垂線之間的夾角測得。在許多情況下，該值會保持恒定，且與所用刀具的推薦值相符，但如果CAM允許，也可通過編程予以改變。利用固定的切入角，刀具即可在整個進給方向上相對于零件表面以預定角度傾斜。該切入角基于表面上最小的內半徑和刀具的有效直徑。
刀具的傾角基于垂直于進給方向的平面，因此比照切入角，可根據刀具中心線和切口處垂直于表面的垂線測得。各點上恒定的切入角對于生成曲面和凹入的零件表面而言至關重要，盡管點銑會耗費更多的切削時間并可能縮短刀具壽命，但它卻是獲得凹表面和雙曲面的安全方式。刀具在其圓角半徑處與工件始終保持接觸（接觸點的位置根據具體曲面沿著刀具圓角半徑變化），經過連續走刀即可生成3維表面。采用立銑刀進行點銑適用于粗加工、半精加工以及精加工工序。
側銑
更為高效，與點銑相比，其切削時間更短，但在某些方面更受限制。它最適合于半精加工和精加工工序，但僅局限于單曲面和凸表面。顧名思義，側銑就是主要用刀具的側面進行切削，并且刀具半徑（如果含有）僅生成零件圓角半徑。由于采用更大的刀具/零件接觸面積，對功率、扭矩、穩定性、排屑和機器運行能力均有更高要求。
五軸加工時的刀具選擇部分取決于所應用的具體銑削方式（點銑或側銑）。側銑要求刀具擁有足夠長的徑向切削刃，例如整體硬質合金立銑刀或可換頭銑刀。這些銑刀可以為直型或圓錐形，并具有各種圓角半徑。有多種技術可用于側銑：擺線銑、切片銑或仿形銑削。錐形球頭立銑刀與球頭立銑刀相比，穩定性更高，后者要求較小的配合半徑。
擺線銑削（三軸粗加工技術）時，刀具以連續螺旋的刀具路徑進行切削，在受限空間中從徑向進給，具有很高的材料去除率。每次切削時刀具不斷向外運動，進而形成凹槽或輪廓。由于徑向切深較小，因此可以使用更大的切削深度并且產生相對較小的切削力。切片（三軸半粗加工/精加工技術）與零件圓角加工類似，通常需要高速動態剛性好的機床。此外，切削時會以小徑向切深進行多次走刀，這樣對于大圓角就能應用更大的軸向切深。仿形銑削可以是僅使用側面的2D切削工藝，或者為刀具半徑形成底面的3D切削工藝。仿形銑削也要求高速動態剛性好的機床和極高的穩定性。
對于點銑
存在許多刀具選擇，具體取決于零件特征和表面質量要求。一般來說，對于較大的開放曲面，首選為圓刀片銑刀或球頭銑刀。對于型腔，有著大刀具懸伸的錐形球頭銑刀往往是最佳選擇，其中在需要刀具可達性時，模塊化刀具系統所提供的縮徑接桿可確保最大穩定性。
圖3 (圖片編號 091529)
圖4 (圖片編號 042559)
適合粗加工的刀具應用與機床能力和零件表面要求有關，較大的有效刀具直徑或許能夠在三軸加工時應用。半精加工時，刀具路徑策略應效仿精加工策略，通常在五軸加工（有時使用三軸）時能最高效地獲得最佳加工結果。其目標應是為精加工工序留出均勻的加工余量。
對于精加工，刀具選擇取決于所需要的表面質量和精度水平，其中通過使用不同類型的刀具（具體與零件特征和光潔度有關），即可對聯動五軸加工進行優化。圓刀片銑刀使用得更為普遍，球頭銑刀適用于在成形和可達性方面要求更為苛刻的切削，例如封閉凹窩。
一系列不同的銑削刀具
適合于聯動和三軸加工工序，具體取決于粗加工和精加工所介入的程度。例如，大直徑的圓刀片銑刀適合較淺的大表面，它采用相對較大的徑向吃刀。使用具有大圓角半徑或圓頭的圓刀片刀具或立銑刀進行銑削時，最好應用適當的切入角和傾角，以確保獲得最高的性能和加工結果。可導致高進給能力的薄屑效應是需要考慮到的生產率因素。
圖5 (圖片編號 090210)
圖6 (圖片編號 091273)
球頭刀具非常適合于五軸點銑，但可達性和軸自由移動受到限制（三加二軸），例如受限于零件特征或夾具。這些刀具一般為整體硬質合金立銑刀或可換頭銑刀，加工時間短，在高切削速度下具有極高效率。當然，它們也很適合任意三加二軸加工工序。
五軸加工時的表面質量
在一定程度上是步距問題，與刀具直徑有關。在具體應用中是一項重要因素，因為它會影響到加工時間和表面質量。與用于常規仿形銑削的球頭刀具相比，采用圓刀片銑刀可顯著縮短切削時間。對圓刀片銑刀而言，步距與直徑之間的關系最大為1比2，步距較大時，雖然可縮短加工時間，但會留下更高的表面粗糙度。就此而論，球頭刀具不會提供同樣的生產效率，并且加工條件也較差。刀具將根據每齒進給量和切削寬度形成具有一定有高點的表面，而切削深度會影響到切削力，并對刀具穩定性要求很高。要獲得平滑且均勻的表面質量，應對刀具傾斜、進給值、切削方向和刀具夾持情況進行優化，以使其達到最佳平衡。
圖7 (圖片編號 082227)
總而言之，每種加工方法和刀具類型都有其特定優勢，正確選擇刀具并對其進行應用優化能夠提供更多的加工可能性，并且有機會降低五軸加工的成本。此外，采用優秀的模擬軟件也能夠顯著降低出錯機會，并避免將寶貴的生產時間浪費在機床上測試新程序方面。
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