5轴加工中心加工产品原型的案例研究 - 文章

5轴加工中心加工产品原型的案例研究

newmaker 来源：CMJ 中国机械与金属

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处于全球化竞争环境中的制造商愈来愈表现出投资多轴机床的需求，以期获得高精、高质的加工和高投资回报（高利润）。最受欢迎的多轴机床为5轴机，包括5轴联动机床和“3+2轴”机床，因为5轴机可以满足简洁化/无人操作的要求。在此，我们将介绍通过集中加工实现节拍缩短的案例，以及北村公司的机床。

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五轴加工现场

目前对5轴机床的需求所呈现的趋势为：在提高质量、削减成本的基础上，力争实现缩短从研发设计到制造出成品这一环节的交货期。有了高精度的机床，客户期望可以省略或减少精整、抛（磨）光的工序。在此，我们以汽车变速器产品原型为例作些说明（见图1和图2）。

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图2 用5轴加工中心加工汽车零部件

加工此工件通常需要用到多种设备，如：数控车床、EDM（放电加工机）、电火花成型加工以及电极加工设备。此工件的形状加工不需要联动配合可倾或旋转轴，或是深切斜倒区域（undercut），所以无需使用5轴机。然而，北村公司的5轴机组合的车削功能，可以用一台机床替代上述所需各种设备，因此可以成功实现精简加工工序过程、减少装夹时间，从而大大降低整体成本的目标。结果加工节拍减少了约54小时，因为诸如数控车床、EDM（放电加工机）、电火花成型加工以及电极加工设备，加工中心的倒角加工，手工打磨等加工工序都可以省去。见图3，与传统加工工艺的比较。北村公司推荐使用的机床为“Mytrunnion-1”，此机型为“Mytrunnion”系列中最小型的5轴联动立式加工中心。为了实现最终的目标，机床还必须要有良好的吸震性能以保证刀具的使用寿命。

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图3 节拍比较

北村公司的“Mytrunnion-1”的配置为：具备高吸震性能的硬轨结构，优异的加速/减速性能，高速高刚性30,000min-1 主轴，和耳轴款式的旋转工作台/分度盘（由旋转轴支撑其两端，不同于仅是靠一端支撑的台面安放款式 a table on table style），并且硬轨为感应处理硬化和精密研磨工艺，配合触面为树脂贴塑。因此在高速进给切削时北村机床可提供高于其它机床7倍的抗震能力（见图4）。所有上述机床特点，可令机床具有重切削的能力，不仅加工表面质量好，且刀具寿命更长。通过该案例，我们希望强调一个事实：将对称工件装夹于工作台中心，北村机床可以实现连续高精度加工，而无需设定工件各个加工点的工件坐标。

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图4 硬轨与线轨的比较

加工及机床功能之关键点

该工件为产品原型，不是量产。量产时，该工件的加工分为多道不同工序，各个工序需要用到不同的工装，而采用此种加工方式来加工产品原型则是非常低效率的。使用“Mytrunnion-1”的各种功能，我们可以减少工序，提高效率，同时确保精度在公差范围内。在此，我们再来看一下加工工艺以及加工该工件所需要的机床功能。要保证使用多轴机床进行量产时的高精度，经常需要调整工件坐标系统的参考点。这个调整可以通过一个自动触碰探针实现（见图5），但是产品原型的加工则无需这样做。

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工件坐标设定

利用CNC车削功能来加工外圆及镗孔

外圆以及安装传动轴的（镗）孔的精度有圆度要求。北村的“Mytrunnion-1”利用直驱马达来驱动旋转工作台，转盘的转速高达1100 min-1。该工作台可以在主轴上装有车刀时做旋转操作，所以可以避免在不同工序设备（铣削机床—车床）加工时因重新装卸所造成的失误，因此工件的加工精度得以提高。而且，我们还可以在工件处于倾斜位置时进行工作台旋转操作，这样可以进行工件背面的倒角加工，因此可以省略另行二次加工。

利用5轴机床的联轴控制功能进行工件的内部和外部铣削加工

该工件外部有变速轮齿，各齿的内面必须要有均匀的厚度以使其轻盈。长的端铣刀可以用来缓慢加工各齿间的沟槽（工件的形状是没有倒勾的）。而使用5轴加工中心可以允许使用短的端铣刀，从而可以改善切削加工的条件，如此可以缩短节拍。由于可以做到一次装卡，并同时加工工件的内部和外部，因此既节省了以前需要多次装卡的时间，还可以避免工件任一面的错配。

外缘和端部凸出处的排泄孔

通常排泄孔是垂直于每个齿的表面。尽管附图照片无法清楚显示，利用5轴联动加工中心配合以Swarf cutting切削加工技术，就可以在短时间内完成不相同锥形表面的加工。该工件本身是不能用倒角设备（刀具）加工的。将工件放入加工中心机床（Vs 车床），额外的行程可以允许实现加工该工件的三处凸出处，而无需重新装卡。内圆处的键槽可以直接加工，无需变动转动轴的方向。相对于中心和垂直的定位精度得以大幅提高。

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图6 手工刮研

刀具中心点控制（TCP），倾斜面加工指令（TWP）

使用5轴加工中心（5轴联动或3+2轴）加工时，如果利用TCP、TWP的功能，则可以让您通过各类5轴加工中心、刀具来加工不同形状的工件。而且，即便切削加工条件有变化，其加工程序的修改也相对简单。通过这些5轴控制功能，使需要用CAM来重新编辑程序的时间大幅减少，从而提高了生产效率。

TCP功能令图形（轮廓）编程变得可能，传统做法是必须分成细小线段，利用相同的概念即一根轴正交（独立）于3轴，如直线插补、圆形插补及其他。在此案例中，工件是装卡在转盘中心的，如果我们利用TCP、TWP，则即便工件是偏离中心的，我们仍旧可以实现加工（将计算出偏离于实际中心的数值设入参数中）。通过此方法，不论工件装卡在何处，我们都可以采用相同的程序。然而，如果因室温变化或长时间连续加工导致参考点变化，则加工精度会明显降低。在北村公司，即便是再小的机床，如“Mytrunnion-1”机型，所有安装接触面都采用精湛的手工刮研工艺，所有北村的机床都可实现并保持长期的超高精度，这是基于手工刮研工艺所确保的垂直度和平行度（见图 6）。北村机床还标配有 “智能高级热位移自动补偿功能” （IAC，取得专利于2001年，见图7、8、9），机床内部装有温感应装置，工厂环境温度变化导致的热位移会通过补偿（基于经验）至工件原点从而将此影响减少。最新的版本在环境温度变化为±5℃范围内时，几乎可以完全消除此类影响。

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图7 IAC温度

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图8 放大的温度变化图表

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图9 IAC功能

结论

本文所介绍的是一个很好的案例，即可以通过将多次装卡工艺精简为仅一次装卡，我们可以减少设备投资和相关人员的工作量。图1所示的工件是从胚料开始加工的，加工为成品仅需一次装卡。其结果，与传统加工方式即EDM加工相比，可以节省54小时。总体来说，EDM加工方式一直都被视为加工硬质材料（molybdenum，Inconel，及其他硬化材质）的高效方法。尽管EDM加工方式在量产时被普遍采用，但是并不适合像今天这样的产品原型加工案例。相比之下，加工中心的节拍时间大大节省，体现出其成本、效率方面的明显优势。但是利用5轴加工中心加工如此坚硬材质，机床本身必须要有极好的抗震性能，因此北村的 “Mytrunnion”系列采用的是硬轨技术，这在长时间连续无人加工时其优势明显。况且，能够实现5轴加工中心仅一次装夹便完成生产数量的机床不多见，尤其需要加工复杂、多面的工件。针对更长时间的无人加工、多样化产品加工，该机床可以加装7或 21面的工作托盘单元（见图10和11），所以说5轴加工中心必须要有刚性。北村机床在这方面具有一定的优势：

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图10 Mytrunnion-1机床外观

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Mytrunnion-1机床内部

首先，北村的“Mytrunnion”系列为旋转工作台在可倾耳轴上的款式，如此在工件平行或倾斜时，可以改变传达至工作台的重量分配。尤其在现在，机床的加速度（加速及减速时）通常超过1G。如果机床结构不能承受此速度，则高精机床亦根本无从谈起。

其次，如果工件可以被倾斜，则可以让刀具更近地接触工件，并可使用更短的刀具，而更短的刀具则意味着可以改善加工条件（实现高速高进给的切削）。但是机床必须要具备高刚性和好的吸震性能，否则难以改善加工表面的质量。

第三点，使用更短的刀具可以提高粗加工的效率。如果机床的刚性无法满足重切削的要求，机床会产生震动，加速刀具的损耗。这样你就无法缩短粗加工的时间。

综上所述，机床本身的刚性好，对5轴加工中心来讲，有利于其实现高速、高精度的加工。为了充分发挥客户所使用机床的性能，北村公司一直以来在制造机床时都会考虑到机床的操作者。北村公司始终认为“亲近用户”应该是被最优先考虑的，所以在开发最新款5轴加工中心时，北村公司非常重视如何最大限度地发挥、提升机床操作员的潜能和工作表现（具体的讲，比如可以减少装卡次数）。将来会有更多利用5轴加工中心来制造产品开发原型的情形出现，因为这类复杂的工件愈来愈少会被量产。目前使用5轴机床最为普遍的例子（行业）是航空业，该行业的所谓量产概念明显不同于汽车制造业，一般仅为600件左右。因此，未来利用5轴加工中心来进行产品原型制造加工的趋势将变得愈发明显。

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/9/2011)


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