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五軸加工中心在模具加工中的應(yīng)用研究

2018-12-21 來(lái)源：大連市輕工業(yè)學(xué)校作者：張吉林

摘要：五軸加工屬于數(shù)控加工比較重要的技術(shù)部分，雖然三軸加工中心在傳統(tǒng)的模具加工中有著普遍的應(yīng)用，但隨著我國(guó)在模具加工技術(shù)上的快速發(fā)展以及對(duì)加工表面更高的要求，傳統(tǒng)的立式加工中心和三軸加工中心逐漸滿足不了生產(chǎn)的要求，五軸加工中心的出現(xiàn)不僅提高了加工的光潔度，還克服了傳統(tǒng)法中許多的不足。本文就從五軸加工中心的概念出發(fā)，分析了三軸加工中心與五軸加工中心的區(qū)別，說(shuō)明了五軸加工中心的優(yōu)勢(shì)，并說(shuō)明了五軸加工中心在汽車模具中的簡(jiǎn)單應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：五軸加工中心；模具加工；應(yīng)用；研究

1、對(duì)五軸加工中心的概述

1.1 五軸加工中心的概念

五軸加工中心又叫做五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，這種加工方法可以解決曲面較復(fù)雜的模具加工現(xiàn)象，而且它運(yùn)用了較發(fā)達(dá)的科技水平，加工的表面精度較高，在我國(guó)航空航天和軍事科研以及精度要求較高的醫(yī)療機(jī)械設(shè)備的制造中有著不可替代的作用。在我國(guó)的葉輪加工和重型發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子加工中，五軸聯(lián)動(dòng)加工數(shù)控系統(tǒng)是進(jìn)行加工的唯一途徑，除此之外，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心還包括了對(duì)船用的螺旋槳和汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子及大型的柴油機(jī)曲軸的加工，重要的是這些部件加工的唯一途徑就是五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。

1.2 五軸加工中心的特點(diǎn)

五軸聯(lián)動(dòng)加工中心適用于空間曲面加工，可以同時(shí)加工 X、Y、Z、A、C 五個(gè)面，也就是說(shuō)由 xyz 和 ac軸共同構(gòu)成了整個(gè)加工中心。五軸聯(lián)動(dòng)加工中心效率高，加工出來(lái)的表面具有很高的精度，它不同于五面體加工中心，后者和三軸加工中心較為相似，它的特點(diǎn)是可以同時(shí)進(jìn)行五個(gè)面的加工，但是對(duì)于異型加工和打斜孔等的操作有技術(shù)缺陷無(wú)法操作，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心可以進(jìn)行五個(gè)軸面的空間曲面加工，而且在異型加工和鏤空加工、斜孔和斜切方面較為擅長(zhǎng)，對(duì)于比較現(xiàn)代的汽車零部件和飛機(jī)組成的結(jié)構(gòu)件的加工有著較高的操作力。在五軸聯(lián)動(dòng)加工中心中，只需將工件進(jìn)行一次裝夾便可以進(jìn)行較復(fù)雜的加工，與普通的車床、銑床加工不同，更為省時(shí)省力。

1.3 分析五軸加工中心的發(fā)展前景

五軸聯(lián)動(dòng)加工中心應(yīng)用廣泛，不僅在如木模制造和汽車的內(nèi)飾件加工等民用行業(yè)有著很多的應(yīng)用，在精度要求高的航空航天和精密儀器（包括了軍事儀器和高精度的醫(yī)療設(shè)備）等都受到了很大的歡迎。之前的空間曲面加工，五軸加工中心對(duì)其有了創(chuàng)新和解決的辦法，不僅解決了復(fù)雜工件的加工難題，將機(jī)械化的加工任務(wù)變難為簡(jiǎn)，而且在此基礎(chǔ)上提高了人們加工的效率，讓加工的流程減少了很多，從上面看來(lái)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的發(fā)展會(huì)在技術(shù)的強(qiáng)化下被人們廣泛的應(yīng)用。

2 、分析五軸加工的優(yōu)勢(shì)

五軸聯(lián)動(dòng)加工中心可以將加工工件的表面在平面端銑刀的作用下保持一種垂直的狀態(tài)，這樣節(jié)省了加工時(shí)所需的時(shí)間，其在加工中刀具無(wú)須很長(zhǎng)也可以一次性的操作完所有的工序，只需要將工件進(jìn)行一次的裝夾便可通過(guò)調(diào)整刀具的切削方向來(lái)完成復(fù)雜的曲面加工。五軸加工中心解決了有一定角度需求的側(cè)面加工，為很多的制造帶來(lái)了可能，而且對(duì)于加工的精度有了一定的技術(shù)保障，不僅彌補(bǔ)了三軸加工中心的技術(shù)缺陷，而且在此基礎(chǔ)上加工出來(lái)的表面質(zhì)量更好，如機(jī)床對(duì)于曲線加工、模具側(cè)壁、不同幾何形狀的模具以及具有斜面、斜孔的模具類的加工。

3 、五軸加工中心在模具加工中的應(yīng)用研究

3.1 關(guān)于深腔模具的加工

現(xiàn)如今人們主要通過(guò) CAD 繪圖來(lái)進(jìn)行汽車零件的設(shè)計(jì)，用 CAM 軟件來(lái)表達(dá)所需加工的模具表面的復(fù)雜程度，但是想要在加工中得到和設(shè)計(jì)圖紙要求一致的加工精度，就需要人們對(duì)數(shù)控加工機(jī)床的靈活運(yùn)用，首先在深腔模具的加工過(guò)程中，如果采用的是三軸加工中心的方法，就需要對(duì)刀柄和刀具進(jìn)行加長(zhǎng)操作，但是在五軸加工中心中，不僅可以在工件或者是主軸頭的附加回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)下實(shí)現(xiàn)較深和較陡型腔的加工，而且可以給型腔加工出較好的工藝水平。在五軸加工中心中，對(duì)于型腔的加工刀具的長(zhǎng)度會(huì)比三軸加工中心有一定的縮短，這樣就可以避免加工過(guò)程刀具與刀桿以及型腔間的碰撞在一定程度上起到保護(hù)刀具的作用，從而在保持模具質(zhì)量和加工精度與效率的前提下延長(zhǎng)了刀具的使用壽命。

3.2 關(guān)于模具側(cè)壁的加工

在模具側(cè)壁的加工過(guò)程中，通過(guò)三軸加工中心的加工對(duì)刀具的損傷較大，其刀具的長(zhǎng)度一定要大于模具側(cè)壁的深度，這樣才能保證加工時(shí)的要求，而刀具的加長(zhǎng)會(huì)對(duì)刀具的使用強(qiáng)度有明顯的影響，大大降低了它的表面強(qiáng)度，如果刀具的長(zhǎng)度超過(guò)三倍徑時(shí)很容易出現(xiàn)讓刀現(xiàn)象，即因?yàn)榈毒邚?qiáng)度差的原因，三軸加工中心即使操作中準(zhǔn)確的進(jìn)行走刀，加工的零件表面也會(huì)出現(xiàn)上厚下薄或者是尺寸誤差過(guò)大的現(xiàn)象。但在五軸聯(lián)動(dòng)加工中心中，可以在對(duì)主軸或者是工件的擺動(dòng)控制中將刀具和模具的側(cè)壁控制在一個(gè)垂直的狀態(tài)下，通過(guò)平面銑刀對(duì)側(cè)壁進(jìn)行加工，這樣就既保證了工件的加工質(zhì)量，又保護(hù)了刀具。

3.3 關(guān)于模具較平的曲面加工

在較平的模具曲面加工操作中，三軸加工中心需要選擇球刀進(jìn)行精加工來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的加工表面，在三軸加工中心的加工中刀具要增加加工的路徑，由于球頭刀的刀具中心旋轉(zhuǎn)線速度較小幾乎為零，在較平曲面的加工過(guò)程中除了會(huì)對(duì)刀具造成嚴(yán)重的損傷而減少刀具的使用壽命，還會(huì)影響加工表面的質(zhì)量從而達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求；而在五軸加工中心的加工過(guò)程中可以通過(guò)五軸加工中心調(diào)整球刀與工件表面的角度來(lái)保證刀具的線速度，這樣一來(lái)不僅可以避免這些現(xiàn)象的發(fā)生，保證了與設(shè)計(jì)要求相符的工件加工質(zhì)量，還可以進(jìn)行刀具的保護(hù)而延長(zhǎng)它的使用壽命。

3.4 關(guān)于模具不規(guī)則曲面進(jìn)行加工

在模具不規(guī)則的曲面加工過(guò)程中，通過(guò)三軸加工中心的加工雖然可以得到相應(yīng)的工件，但是依然是保證不了加工的質(zhì)量，三軸加工中心中刀具圍繞切削輸入的固定路徑對(duì)模具的表面進(jìn)行切削，如果遇到曲率較復(fù)雜的切削工件，刀具的刀尖部分不能夠永遠(yuǎn)保持著最好的切削角度和切削狀態(tài)，工件雖然在三軸加工中心的運(yùn)行下完成了加工，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到高精度的要求。但是在五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的加工下，可以通過(guò)狀態(tài)的輸入與控制來(lái)保證在曲率變化復(fù)雜或者是較深的凹槽加工要求中刀具刀尖完美的切削狀態(tài)，刀具在操作的過(guò)程中也會(huì)自動(dòng)選擇最佳路徑來(lái)進(jìn)行表面的加工，并且可以在曲線加工中變化直線加工的方式，保證加工的精準(zhǔn)度。

3.5 關(guān)于模具不同幾何形狀的加工

在不同幾何形狀的加工情況下，如對(duì)三維曲線平面的加工，與上述不規(guī)則的曲面加工情形相似，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心可以保證刀具在切削的過(guò)程中始終保持最佳的切削狀態(tài)，而且刀具的角度也可以根據(jù)加工表面的曲率變化和機(jī)床的輸入要求進(jìn)行角度的任意轉(zhuǎn)換，就如對(duì)一個(gè)滑塊的加工，在凹槽部分不用進(jìn)行工序的轉(zhuǎn)換或者是工件的再次裝夾，通過(guò)提前設(shè)置好的程序刀具便可以進(jìn)行自如的轉(zhuǎn)換和切削，從而完成了工件的加工。

3.6 關(guān)于模具斜面上斜孔的加工

在對(duì)有斜面斜孔加工要求的模具加工中，三軸加工中心無(wú)法對(duì)其進(jìn)行加工，五軸加工中心中可在擺頭式機(jī)床的幫助下，發(fā)揮其擺頭加工的作用，尋找工件要加工的斜面表面而后設(shè)置主軸的位置和要加工的孔的大小，精準(zhǔn)定位到要加工的孔的位置后進(jìn)行如下的操作。要保證在斜面上加工孔的精確度，要保證有兩個(gè)線性軸插補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)操作。如果選用的是擺臺(tái)式的加工模式，此方法是通過(guò)調(diào)整使得模具的斜面和加工的主軸保持垂直，對(duì)孔的加工只需要主軸的一個(gè)線性軸即可完成斜孔的成型加工，而且斜孔的精度也有相對(duì)的保證。

3.7 關(guān)于模具無(wú)方向變化直線的銑削

在加工無(wú)方向變化直線的模具中，刀尖劃直線便可加工出一條沒(méi)有方向變化的直線，同理要加工出變化方向的直線，刀尖在加工中劃出曲線就可以加工出來(lái)，但是如果還想要在變化為曲線的基礎(chǔ)上加工出直線就需要做出一定的補(bǔ)償，五軸加工中心中刀具是圍繞軸線來(lái)進(jìn)行切削加工的，在此過(guò)程中需要保證的是刀尖的固定度，如果刀尖在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中發(fā)生移動(dòng)，即使是輕微的變化都會(huì)對(duì)加工的表面造成劃痕或者其他影響，所以在使用五軸加工中心的過(guò)程中要注意這一方面。五軸加工中心有五軸控制的作用，所以在五軸同時(shí)進(jìn)行加工的過(guò)程中，雖然刀具在圍繞中心軸線進(jìn)行切削加工，刀尖仍然可以在系統(tǒng)的控制下保持著固定不動(dòng)的狀態(tài)，所以要求 xyz 三軸在此過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，從而保證加工出來(lái)的工件表面精度與工件的質(zhì)量。

4 、結(jié)語(yǔ)

在模具加工的過(guò)程中，使用五軸加工中心系統(tǒng)可以適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)道具的使用壽命，完成三維坐標(biāo)系統(tǒng)無(wú)法加工的復(fù)雜曲面。本文主要論述了五軸加工中心在汽車模具如深腔、側(cè)壁以及斜孔、復(fù)雜曲面類中的應(yīng)用與加工，論述了五軸加工中心的概述和優(yōu)勢(shì)。

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