五軸加工技術在汽車模具制造中的應用
2021-8-25 來源：陜西國防工業職業技術學院 作者：韓佳
摘要：現代汽車模具加工制造工藝要求的提升，促使三軸加工技術已經逐漸無法適應當前汽車模具制造領域的發展。為論證汽車模具制造主要加工技術的發展方向和技術要點，本文以五軸加工技術在汽車模具制造領域的應用情況為例，對五軸加工技術在汽車模具制造領域的加工優勢與前景進行分析，綜合闡述了五軸加工更精確、更高效的工藝特征，對該技術在具體的汽車模具加工工況場景也進行了詳細解讀。
關鍵詞：五軸加工技術；汽車模具；加工制造
0 引言
汽車模具制造是制定汽車最基礎的也是必經的工序，同時也是驗證汽車美觀與否和設計是否合理的基礎。因此，汽車模具的制造在汽車生產中占有非常重要的地位。現階段，在汽車模具的制造中 CAM 軟件和 CAD 技術是最常用的基礎制造手段，數控加工技術主要應用于需要把握精準度方面的加工上[1]。五軸加工技術以其獨特的優勢在汽車模具制造中占有一席之地。
1、 概述
1.1 五軸加工技術的概念
五軸加工技術是數控機床加工的一種模式。如圖 1 所示該技術將機床設置成 5 個坐標軸，五軸即 X、Y、Z 三個移動軸，加上 2 個任意旋轉軸。O、P、Q 分別是 3 個移動軸的旋轉軸，與三軸加工技術相比，五軸加工技術增加了兩個任意旋轉的軸（O、P、Q 軸）。
圖 1 五軸坐標圖
1.2 五軸刀軸控制技術
汽車加工工藝復雜程度提升體現在多方面，其中汽車覆蓋件模具結構與形狀復雜程度的提升是對三軸數控機床加工工藝要求提升最為顯著的加工場景之一。針對該加工場景，多數企業采用五軸替換三軸的方法進行加工工藝優化，同時在實際的加工過程中將會充分考慮程序與刀頭、機床主軸之間的協調性與銜接性，全面避免汽車覆蓋件模具加工中主軸干涉等情況的發生[2]。五軸數控機床刀具軸控制方法通常分為六大類：①遠離點或指向點控制刀具軸——采用聚焦一個點的方法定義刀具軸；②遠離線或指向線控制刀具軸——用聚焦一條線的方法定義刀具軸，同時需要保證該直線處于垂直狀態；③垂直于驅動面控制刀具軸，保證所有驅動點刀軸與驅動面之間的關系始終處于垂直狀態，且此時球頭銑刀的球心為 0；④相對于驅動面控制刀具軸，保證所有驅動點刀軸與驅動面之間的關系為一定的夾角關系；⑤直紋面驅動控制刀具軸，使用保持刀具軸與驅動幾何之間的關系為平行關系，利用直紋曲面
控制刀具軸的驅動軌跡[3]。
2、 五軸加工技術的優勢與應用分析
2.1 五軸加工技術的優勢
在進行復雜模具表面加工工藝環節，五軸加工與三軸加工相比，更多采用平底端銑刀與加工表面始終保持垂直狀態的加工工藝，能夠大幅降低三軸加工過程中的消耗的時間成本。如前文所述，五軸加工中心同樣適用一定角度的側面銑削加工，因而能夠消除一般三軸加工工藝中球端立銑刀加工造成的肋骨狀紋路。既降低了加工時間，又提升了模具表面質量。
五軸加工技術由于比三軸加工技術具備更為廣泛的工件加工角度，因而能夠避免三軸加工過程中必須多次調試裝卡等問題，大大降低了人工消耗以及時間成本。同時，在有效避免了在刀具調整過程中所形成的加工誤差，機床又能夠進行更加復雜的零件或表面加工。
五軸加工與一般三軸加工相比，所使用的刀具尺寸更短，能夠一次性將整個零件全部加工完成無需對零件進行二次或多次裝卡，短期內獲得的加工效率大幅提升，零件的表面質量也更好。
2.2 五軸加工技術的應用
五軸加工技術的高效工作主要體現在以下三個方面：①大部分零件只需要安裝一次就可以全部進行加工；②加工時間短，部分位置的加工精度高；③各零部件在進行生產時需要先進行形狀分析，再進行刀具選擇，這樣減少磨具的生產周期。如表 1 所示為汽車模具零件編程分析。
表 1 汽車模具零件編程分析
由表 1 可知三軸加工技術比五軸加工技術耗時更多，三軸加工技術需要多次安裝刀具進行切割，而五軸加工技術只需安裝一次刀具即可，它是根據零件與刀具的角度來進行工作的，提高了生產效率，降低的了消耗。五軸加工技術是利用刀具的高速旋轉來實現切削的目的，能夠避免三軸加工過程中必須多次調試裝卡等問題，大大降低了人工消耗以及時間成本，大幅度提升了工作效率。
3、 五軸加工技術在汽車模具制造中的應用
CAD 系統在汽車零件制造領域占有重要的地位，各項零件的設計加工都需要借助 CAD 系統來完成，而 CAM軟件是加工模具復雜表面的工具[4]。在汽車模具的加工制造中數控技術是確保設計和加工的精度的，而汽車模具質量與五軸加工技術之間有一定的關系，如圖 2 所示為五軸加工技術在汽車模具制造中的應用范圍。
圖 2 五軸加工技術在汽車模具制造中的應用范圍
3.1 深腔模具的加工
常用的深腔模具加工主要有三軸、五軸加工技術，二者有一定的相同之處，同時也存在效果上的差異。在進行汽車模具制造時，要在三軸加工技術的基礎上，利用五軸加工技術的深、陡進行模具加工。刀具長度的適當伸縮可以為模具創造出良好的工藝基礎，同時工件和主軸頭的移動、旋轉，能夠有效減少刀具同刀桿以及型腔壁之間產生碰撞。而碰撞的減少可以有效的提高刀具的使用壽命，同時可以減少在模具制造過程中表面的粗糙，提高模具的質量和生產效率。
3.2 模具側壁的加工
在汽車模具的制造過程中，模具的側壁受刀具長度的影響較大，一般來說側壁深度要比刀具長度小。如果刀具過長，那汽車模具的強度就會降低，刀具過長容易出現讓刀現象，則汽車模具的質量會產生下降[5]。而五軸加工技術的工作原理與傳統的制造原理不同，它是通過主軸（或工件）的擺動來控制模具側壁與刀具的距離。五軸加工技術在工作時，是使用平面銑刀對側壁進行切割的，這種工作方式可以提高汽車模具的生產質量，同時還可以減少刀具的磨損延長其使用時間。
3.3 模具較平的曲面加工
五軸加工技術在進行曲面加工時與三軸加工技術不同，三軸加工技術需用球刀精銑，這道工藝可以提高模具表面質量，但是需要增加刀路。刀路的增加會加大刀具的磨損，減少其使用時間，在一定程度生會增加公司投入成本。五軸加工技術在三軸加工技術上做了改進，可以有效避免三軸加工技術的缺點。五軸加工技術在進行加工作業時，需要先將刀具與工件對好角度再進行作業，這樣一來可以提高工件與球頭刀之間的相對線速，增加刀具的使用壽命，減少企業資金投入，同時還可以使產品的加工效果更上一層樓。
3.4 斜面斜孔的加工
斜面斜孔的加工比較困難，孔位定位不準確就會產生偏差，因此斜面斜孔需要精準的定位。五軸加工技術利用搖擺的機床擺頭在工件垂直的方向放置主軸，可以對孔位作出精準定位。
4、結語
在汽車模具制造中，五軸加工技術明顯比三軸加工技術更適合。五軸加工技術可以有效減少模具制造過程中表面的粗糙，提升汽車模具的質量和工藝水平；使用平面銑刀進行切割工作可以有效減少刀具磨損，增加刀具的使用壽命，從而有效的為企業節約成本；最主要的是五軸加工技術制造出來的汽車模具無論在質量還是工藝水平上來說，都高于三軸加工技術。因此，五軸加工技術比較適合應用于汽車模具制造中，將會促進汽車模具制造的發展。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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