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模具加工：活用多轴控制

作者：竹内芳美

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随着制品、零件设计上的高度创意化，由3次元自由曲面。如何能更快又更有效率的生产冲压模及塑胶模等金属模，不论在将生产移至海外或模式变换的延长、或是制造业面对如何降低制造成本等急剧的环境变化上，都是非常急重要的对应策略。所以，从金属模的设计、生产管理及制造等工程上，必须利用电脑来进行资讯化及系统化。

在此前提下，为了要能有更迅速及更高品位对金属模进行加工，在此就以3次元形状模式为基本，针对活用多轴控制自动加工机床的加工技术来加以述说。多轴控制自动加工机床是具有并进3轴、回转3轴的6轴控制。

多轴控制自动加工机床的利用

要使金属模加工能更具效率及有更高的精度及品质，须在其一旦设定於加工机械上後，即能进行多样的加工。如此一来，就可以减少因为阶段更换所产生的装置误差及增加实际加工时间。同时，我们也期望1台机械能具有从粗加工到整理等多样工程都能处理的复合加工机能。
多轴控制工作机械能进行具有特徵的加工。具有并进3轴及回转2轴的5轴控制自动加工机床，比一般的并进3轴能有更多样化的工具姿势，所以能节省阶段更换的时间，而且也可以进行悬吊形状加工等复杂的加工。虽然在20多年前就已经开始制造该种机械，但是因为5轴控制自动加工机床具有复杂的构造，十阶鄞控制，所以只有在进行特殊的加工上才会使用。然而，在设计技术及控制技术都十分进步的今天，从只要将工伦物设冤一次即可周行高效及高精度的优点而言，被广泛应用是可期待的。

然而，一般的形状加工上，为了要提高切削速度，必须将工具或工作物旋转。所以工作物旋型的加工法，其形状必须是圆形组合，而工具旋型的加工法，在加工位置则会留下à受到此一限制，就是因为必须有旋转动作。若能进行不受此限制的形状加工，则加工形状所受到的限制势必减少。

因此，提出下列的新加工法，就是在多能自动加工机床的主轴上装置适合加工形状的非旋转切削工具，并以3D方式来控制工具姿势及位置。此种加工方式须采用6轴控制，且其切削速度和推送的速度相等，无法提高加工效率，但却适合要求高品质的部位或旋转工具无法进行加工之形状。6轴控制自动加工机床及非旋转工具如图1所示。

图1：6轴控制自动加工机床及非旋转工具图2：加工工程及面粗度

若不进行6轴控制自动加工机床的主轴旋转分度控制，而采用一般旋转的话，就变成5轴控制自动加工机床，若再将旋转2轴固定的话，即可当做3轴控制自动加工机床来做用。若能活用6轴控制自动加工机床的特长，即可得到很大的效果。

图2是加工工程和表面精细的定性关性，表1则是各工程处理上必要的工具及控制轴数。

表1：复合加工功能及工具，控制技术
工程	工具	控制技术
高速粗加工	旋转工具高压冷却剂	3轴/5轴
中度修润加工	旋转工具	5轴
精细修润加工	非旋转工具	6轴
研磨	非旋转工具	6轴

5轴控制加工的特征

同时5轴控制加工的特征如图3所示。利用珠头铣床来进行自由曲面加工时，在通十的部份可以将工具姿势保持一定，且可维持一定的切削速度，所以能得到良好的面精度。而凸面或曲率较小的曲面，则可使用平头铣床，增大其(Pickfeed)，而提高了加工效率。

图3

即使对悬吊的形状工作物，不用重新设定也可进行加工。无论如何，避开工具和工作物之间的互相干扰来生产工具的路径是非常重要的。

具有此特徵的5轴控制自动加工机床的构造，是在3轴正交的并进驱动系统上又附加了旋转倾斜2轴的构成上，又可分成将工作台旋转倾斜的工作台倾斜型、将工具主轴旋转倾斜的主轴倾斜型、以及工作台和工具主轴各具有一轴可旋转倾斜型等3大类。

启动5轴控制多能自动加工机床的软体，是由两动处理系统构成。等一种处理系统，针对球端铣刀或平头铣床等任意形状的工具，产生工具和工伦物避免发生互相干披之同时5轴控制工具路径资料。

因为此处理不是依附在5轴控制自动加工机床的构造上，所以将此处理轴体称为主处理器。

5轴控制的加工，因为工具可对工伦物采取任意的姿，主轴侧(主轴、工具、卡盘)和工作台侧(工作台、夹具、工作物等)间的干披就变成题所在。所以，首先必须确立能自动回避干披的方法。

回避干扰的方法，和点群资料相似的工具形状有关，以各切削点的初期工具姿和以3次元系统的固体模式来定义工作物形状的资料以进行内外的判定，并调查有无干披的情形。

若有干扰的情形时，求取适当的回方向向量，决定不使切削点产生变化的新工具位置，最後即可求得不会发生干扰的工具姿势。

叶轮形状及工具路径产生实例

第二种处理系统，则是以产生的资料为基本，来制作实际上启动5轴控制自动加工机床的资料之系统，称之为後处理器。後处理器是依附工作机械的构造上，为法单独存在，它会考虑避免伴随旋转运动而产生过切等情形的线性、使面的进给速速度能保持一定的进给速度控制，并使各种工具姿势下的切削速度保持一定的主轴旋转数控制等，将资料变换成各轴的动作。

我们以相片1中的叶轮形状来做为5轴控制自动加工机床的加工实例。其形状是由圆柱及自由曲面所构成，3轴控制不但加工困难，同时也会有工具干扰的问题。粗加工及外形以3轴来进行，翼面及翼面间的狭窄部份则以5轴同时来加工。实线代表工具中心点及工具轴向量。在突出部份，会进行工具干扰回避。相片2是加工後的形状。

5轴控制加工使用的切刃方面，大多是使用球端铣刀的尖端部份，若考虑整理面精度，也可以使用侧面切削刃。图4是其概念的图示。若考虑整理加工的效率，也可如图5所示，并用一个工具的尖端切削刃及侧面切削刃。

叶轮形状的工作物利用前端切刀和侧面切刀加工利用前端切刀和侧面切刀加工

6轴控制加工的特征

使用非旋转工具的话，可以进行旋转工具因为打滑而无法处理的的切深，可以得到良好的加工面粗细度。因为非旋转工具加工的切削速度及进给速度相等，可谓是适合整理的加工法。因此，为了提高整体的加工效率，粗加工到中整理为止，应采用切削速度较快的旋转工具，利用5轴控制的控制法的进行加工，若无法进行加工或想得到良好的面精细度，则最好的方法就是采用6轴控制。

代表6轴控制加工特徵的加工形态如图6所示。

(a)是曲面精度良好的整理。至於旋转工具，为了整理曲面，必须使尽量缩小，工具也必须不断的移动。非旋转工具是以具有和曲面形状相吻合的切削刃形状之工具沿着形状移动，而得到平滑的表面，所以可采用较大的且移动的次败较少即可完成整理。

(b)是在曲面上进行非对称断面形状沟的任何形状加工。沟角部的一方有，另一方则为四角形时，无法以旋转工具来进行加工，而可以具有和沟断面相同之形状的非旋转工具来进行加工。

(c)於曲面和曲面的交线加工时，因为交线具有形状特徵，所以称之为特质线加工。使用旋转工具的话，交线具有，所以无法得到锐利的交线。而非旋转工具，因可将切削刃控制在交线部份和两个曲面的接面以垂直方向相接，并同时延着交线移动，所以可以进行无的加工。

(d)是指凹处加工中，使工作物的角罐有的加工。此种角隅加工是旋转工具无法处理的。以往都是以刻模放电加工或手工整理来处理，现在可以利用非旋转工具来进行加工。

在具有上述特色的6轴控制加工中，必须有弹性支撑，以避免在进行非旋转工具加工时产生跳痕。所以在设计托架时，应考虑采取何种对策，另外，也要预估弹性变形量及其方向来决冤其工具路径。

非旋转工具空间内的任意位置上必须可以为任何姿势，且须具有6个自由度。在加工机械的构成上，也可考虑在使用旋转工具之5轴控制自动加工机床的主轴上配备分度功能。

试作的6轴控制自动加工机床上，其给轴(X轴)上配备有倾斜工作台(A轴)，并可对具有旋转工作台(B轴)的5轴控制自动加工机床主轴(Z轴)进行分度旋转(C轴)。其主轴可以在上下方向(Y轴)移动。X、Y、Z的并进移动最小设定单位分别为0.1，A、B、C位为0.36秒。C轴和主轴的旋转速度相当，5轴控制时则为高速旋转。

此外，6轴控制时，必须有角度控制，而为了使工具的进给速度和切削速度相等，必须具有高刚性的机械构造。而在整理的切深量只会设定在数um，所以应要求较高的位置决定精度。

控制软体必须在考虑工作物和工具的相互干扰前提下来生成工具路径，基本上，就是应该在5轴控制上加上主轴的旋转分度控制。其控制软体是由生成回避工作物及工具间互相交换之CL资料的主处理器及制作以资料为基本并对应6轴控制自动加工机床构造之NC资的後处理器所共同构成，和4轴控制的情形相同，会在图6中所示的每一种加工形态中产生适切的NC资料。

图7是利用具有异形断面的工具在曲面上进行沟加工的概念，使用具有图8所示之断面形状的工具，使其保持一定之姿势来对曲面的接平面进行加工。加工的结果如相片3所示。

具有异形断面状的工具曲面上之异形断沟加工实例

针对金属模的迅速、高品质加工上如何活用多轴控制多能向动加工机床的新技术做了以上的说明。因为使用旋转工具的5轴控制自动加工机床，可以在较少的阶段更换下进行复杂形状的加工，预估将会有更多人导入。

其次，有整理效率化及新加工法，使用非旋转工具的6轴控制加工法也是值得提倡的，只要设定时，从粗加工到整理都可以在高精度及高效率的情形下来进行的6轴控制复合加工机械之出现，对今後的金属模生产将会产生很大的影响。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/22/2004)


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