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五轴加工变得更快速更灵活 |
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作者：Delcam |
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在航空航天工业领域里，一些大型的企业应用五轴加工已有很多年了，但是直到现在，这项技术对较小的供应商及工具制造企业的影响还是相当的小。然而，最近许多新的发展使得五轴加工的应用变得又经济而又容易了，这样使得很小的公司也对此表现出了越来越浓的兴趣。
首先，五轴加工设备的价格降下来了，并且有继续往下跌的趋势。以前只能在大型机床上才能实现的五轴功能，现在可以在用于工具制造及其他制造行业的小型加工中心上实现了。同时，Delcam公司的PowerMILL加工软件新的发展使得五轴加工编程相比早期的编程系统更容易。
现在有两种类型的五轴加工机床，一种是比较早用在工业上的小型机床，通过改变主轴刀头的方向来实现五轴运动，其中刀头方向是固定的，通过另外两个轴倾斜和/或旋转工件来进行加工。
对于某些产品零件加工，需要用到连续的五轴加工（continuous five-axis machining），因为加工刀具及被加工的曲面在所有五个轴向上不断变化。相比之下，经常在工具制造部门用到的五轴加工是定位五轴加工（positional five-axis machining），也就是我们通常说的3+2轴加工，这种情况是将刀头定向在相应的位置上进行加工。 
五轴加工可以直接加工象水泵一样复杂的零件
连续五轴加工及定位五轴加工可以使加工刀具尽可能地短，因为刀头可以很低地去接近工件以及刀具可以朝向曲面。这样可以达到更高的切削速度而且不会因为刀具过分颤动而影响加工精度。
另一个大的好处在于加工复杂形体只需1~2次装夹，相比多次装卡，明显地节省了时间；因为有更多的时间可以用来加工，减少了因为重新定位工件而带来的停机时间，则提高了机床的利用效率。这一点在无人操作的工厂中，对于较长时间而不需要人工干涉的加工时尤其重要。装夹次数少而减少工装夹具，所以也减少了整个项目的成本。此外，多次装夹会带来找正误差，严重的会导致工件或刀具发生位移。
使用五轴加工给零配件供应商带来的另一好处是，可以加工极其复杂的、以前只能通过浇注方法才能得到的零件。对于原形加工和对很小零件的加工，采用五轴加工会更快更经济。如果一零件用铸造的方法需要两个月甚至更多的时间才能完工的话，那么用五轴加工可以将交货期缩短到1~2周。所以越来越多地企业直接加工原形而很少使用快速成型设备。这种方法使得在大批量生产时，用同样材料能加工出精度更高的零件。
采用五轴进行孔位加工也能极大地节约时间，也许相比加工复杂的零件、型心和型腔，孔位加工的复杂性显得微不足道，然而加工一系列不同角度的孔也是极其耗费时间的。如果采用三轴加工设备，那么每一方位的孔都需要不同的装夹方式，除了需要额外的时间外，在一长串复杂的装夹之间非常容易出错。而采用五轴加工设备，只要简单地将刀头朝向恰当的轴向，钻孔就会很快地完成。
五轴钻孔加工加工多轴孔系节省大量时间
这里有几个因素使得许多模具制造商首选定位五轴加工而不是连续五轴加工。其中一个主要原因之一是定位五轴加工通常可以很快得到保证。一旦定位正确，刀头就能得到额外的刚性固定，于是主轴可以高速运转。连续五轴加工设备的刀头因为要克服惯性而很难达到高速转动。另外，一旦设置好新的定位五轴加工的工作坐标系，碰撞干涉检查及过切检查就变得非常容易。这在连续五轴加工时计算起来非常困难。
当采用连续五轴加工时，最大地挑战在于确保刀头不会与工件相撞，因为五个轴会同时运动。加工模具的型心或开放的航空结构件会相对容易些，但是加工复杂的小的型腔或零件时会遇到更大的困难。
一种最常用的克服这些操作复杂性的方法是保持刀具与被加工曲面法线一致。然而这种方法收效甚微。首先，当加工凸起的曲面时需要刀头的行程远远超过实际所需的距离而导致加工时间增加。而有些法向位置是刀头无法到达的，另外，让刀头与曲面保持90o角不变而不会与模型其它部位发生干涉是不可能的。
另外，保持刀具与曲面成90o，意味着刀具的刃口只有很少一部分在工作，这样，刀具的使用寿命大大缩短了。同时，在给定转速下使用球头刀时，该刀具的刀尖相比全刀宽切削时移动较短的距离，导致材料去除率也降低。
相反，Delcam公司的PowerMILL生成刀具路径是基于通过从点到点、从线到线加工的。PowerMILL会自动地计算出切削方向上正确的前倾角和后倾角来调整之。
控制好前倾角和后倾角可以得到更好地切削条件，因为倾斜角可以用来避免干涉。在PowerMILL最新版本里，增加了新的功能，那就是机床在加工工件不同曲面时，引导与连接的无过切计算。这样就确保了全程加工时的过切预防，并且在加工时不会发生刀具与工件碰撞。
用PowerMILL进行五轴加工另一个重要的优势，就是她可以使用几乎所有种类的刀具进行加工，包括端铣刀、锥度刀、球头刀、圆角端刀、圆角偏心端刀等等。其它一些软件系统目前只能使用球头刀和端铣刀，而这些刀具在加工过程中往往不是最有效的，特别是在进行粗加工时更明显。
五轴轮廓加工能够快速精确地加工复合部件
尽管复杂程度增加了，采用连续五轴加工还是能为我们带来许多额外的好处。比如零件有下切区域需要加工时。另外，连续五轴加工能提供更好的加工条件控制，这在使用非常容易断的细小刀具时或当加工曲面需要特别高的精度和表面光洁度时，显得极其重要。
这里有一个例子可以说明连续五轴加工的必要性，当我们想试着沿复杂轮廓去加工尖角时，如果用三轴加工就只能使用球头刀，这样就会在尖角处留下小圆角，而需要靠手工去除，才能得到尖角，但精度不能保证。相反，使用端铣刀并采用五轴加工方式，就可以直接加工出尖角。手工抛光的工作量大大减少了，节约了大量的时间并有利于保证产品精度。
修剪是连续五轴加工必需具备的功能，这在复合精加工中非常重要。关键好处在于只要一次装夹而不需多次装夹就能实现完整的操作，五轴修剪功能可以固定角度去加工曲面，不需要太多手工抛光就能够得到更好的产品外观。
在本文开头提及的两个重要趋势--较低的加工中心价格及易学易用的编程软件--在不久的将来还是必然的趋势。因此，这对航空公司投资五轴加工设备会更有吸引力，这意味着提高生产力和经济效益。(end)
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(11/30/2004) |
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