五軸加工中心在模具加工中的應用研究

薛　明

五軸加工中心在模具加工中的應用研究

薛明

(東莞市技師學院，廣東 東莞 523468)

隨著人們生活水平的不斷提高，生產企業為了滿足消費對產品的需求，產品的設計和生產呈現出更新快、精度高、批量化、多樣化等特點。模具加工在各類產品的批量生產中發揮著重要的作用，為了保證產品質量，必需要避免模具加工制造中出現的生產效率過低、產品精度不高等問題。隨著設計和生產標準的提高，生產企業中應用的模具加工機床已由傳統三軸加工中心普遍升級為五軸加工中心，因此充分發揮五軸加工中心的技術優勢，研究其在模具加工中的應用，能夠有效提高生產效率和精度，保障產品質量。

模具；五軸加工中心；三軸加工中心；刀具

五軸加工中心是數控五軸聯動加工中心的簡稱，目前已被廣泛應用在航空、航天、船舶、輕工、汽車以及醫療等精密儀器制造領域，常用于加工復雜曲面的工件，具有效率高、精度高等特點。采用傳統模式進行模具加工時，在銑削加工過程中一般主要使用立式加工中心或三軸加工中心，隨著我國模具制造加工技術的發展，立式加工中心以及三軸加工中心應用的缺陷愈發明顯。使用立式加工中心或三軸加工中心進行模具加工時主要使用球頭銑刀，雖然具有結構簡單易懂、作業占地面積小、利于工件冷卻等優勢，但是也存在著光潔度差、底面線速為零、加工范圍小等缺陷，而應用五軸加工中心能夠完全克服上述缺陷。

1　五軸加工中心的功能和應用優勢

五軸加工中心分為立式和臥式兩種，一般情況下可確定為三個互相正交直線運動軸聯合互相正交旋轉軸的聯動，在進給運動中，對工件坐標系中的刀具軸線方向可進行實時改變，通常應用在曲面結構比較復雜的模具加工中，可有效提升工件的表面質量和加工精度。五軸加工中心在工件的實際制造過程中，對于加工具有空間曲面結構的零件優勢顯著，在汽車領域零件制造、軍事領域裝備制造、航空航天設備制造、生物植入體制造中都得到了廣泛的應用，特別是進行異形轉子、葉輪、曲軸以及螺旋槳等零件一體化加工時，可充分發揮出五軸加工中心高效率、高精度的優勢。

1.1　功能

1.1.1旋轉刀具中心點功能

旋轉刀具中心點功能也被稱為RTCP功能，是刀具圍繞中心點進行旋轉的簡稱，此功能主要描述的就是五軸機床平移軸運動過程中加工刀具中心點的跟隨。在具體的加工階段刀具會與旋轉軸運動產生聯動插補，通過數控系統對控制點的自動修正，使刀具軸線依據中心點部分旋轉，完成既定的運動軌跡。RTCP功能的原理是數控系統可依據五軸機床結構以及工件位置等參數計算出處于工件坐標系區間內的刀具中心各個旋轉軸的擺長情況，并按照刀具具體擺長以及實際旋轉情況，計算處于坐標下的平動補償情況。隨后將補償值作為坐標進行旋轉，以初始部分為工件坐標系，使刀具逐漸朝著機床坐標系進行旋轉，通過此種方式獲取機床坐標系運動過程中的平移軸平動補償運動參數。這種技術在工業制造過程中也被稱之為刀尖編程，編程時只需考慮刀具和工件之間的相對運動，與機床的運動無關，其主要優勢在于只要應用了具備RTCP功能的數控系統，對五軸加工中心就可進行的獨立刀尖編程，不需要考慮機床結構的差異，RTCP功能會針對偏差進行補償修正，保證機床的加工效率和精度。

1.1.2表面優化壓縮功能

機床在運行過程中數控系統可依據相關參數制定公差范圍，提前讀取相應數量的加工程序段，并實現相應程序段的相關直線指令多項式樣條的擬合，使機床在具體運動過程中可完成從小步距直線插補向大步距插補的轉化，實現對機床的不同軸速度以及加速度功能的優化控制。通常情況下，較為復雜的自由曲面五軸加工程序包括較多小步距插補指令，其中不同指令中都由刀具軸線方向和刀具中心點部分的X、Y、Z位置坐標組成，因為此類控制點坐標和相應刀具方向坐標都是通過理論曲面計算獲得，沒有考慮到機床實際運動狀況及其結構，在加工過程中會受五軸加工程序的影響，機床的旋轉軸或平移軸會出現頻繁加速或減速，使得機床出現嚴重抖動和進給速度不穩的情況，影響工件表面的加工。充分應用五軸加工中心的表面優化壓縮功能，可有效優化機床自身性能和加工軌跡，保證工件表面的加工質量，提升機床各軸的速度與加速度，提高加工效率。

1.2　應用優勢

五軸加工中心按照應用時聯動軸的數量可劃分為五軸定向加工和五軸聯動加工兩種模式，機床切削時的精度、剛度和刀具自由度會受到聯動軸數量的影響。五軸定向加工模式一般指平動軸聯動旋轉軸部分鎖定構成的加工方式，經常應用在斜孔鉆銑、斜平面切削和具有較小的曲率變化自由曲面加工中[1，2]。此種加工方式的優勢是可將傾斜幾何特征可轉變成為垂直或者水平，不但可簡化加工工藝，還能提升加工效率，在旋轉軸鎖定后依然能夠使機床保持自身最大的剛性，只要保證切削參數選擇的合理性，就可有效避免旋轉軸具體聯動運動過程中產生的疊加運動誤差等問題。五軸聯動加工模式主要是指加工過程平動軸和旋轉軸的聯動常應用于加工復雜自由曲面，在零件的一體化加工中凸顯出極大的優勢，適合加工回轉型曲面工件，而且可在具體加工過程中完成一次性裝夾，能大幅度縮短加工時間，在提升加工精度的同時，保證回轉類型零件的同軸性特征。

2　五軸加工中心的具體應用

2.1　深腔模具加工

CAD繪圖是目前進行零件設計的常用軟件，結合CAD軟件的應用可以完成表面復雜深腔模具的加工。在深腔模具的加工過程中，如果應用傳統的三軸加工中心，要保證實際加工效果與圖紙設計效果一致，則需要相應調整刀具以及刀柄的參數，才能確保加工精度。而采用五軸加工中心的方式，可以在數控機床的主軸頭和工件中附加回轉以及擺動等功能，在進行較陡以及較深型腔模具加工的同時，能夠提升型腔加工的工藝水平。應用五軸加工中心進行深腔模具的加工，比應用三軸加工中心操作更為便捷，只需相應縮短型腔加工刀具的長度，就可防止加工過程中刀具、刀桿與型腔之間出現碰撞的情況，以此來保護刀具，延長刀具使用壽命。

2.2　模具側壁的加工

使用三軸加工中心進行模具側壁加工時，需要相應增刀具的長度，以保證其大于模具側壁的深度。刀具長度的增加會在一定程度上影響其表面強度，當刀具長度超出三倍徑時，極易出現讓刀和損傷刀具的情況。即便在加工過程中三軸加工中心可準確進行走刀，加工零件的表面也會出現尺寸誤差大、上厚下薄等問題。采用五軸中心聯動加工方式進行模具側壁的加工，可使控制主軸或工件在擺動過程處于垂直狀態，這時通過應用平面銑刀來加工模具側壁，在提升工件加工質量的同時，還能夠保護刀具。

2.3　較平曲面的模具加工

采用三軸加工中心方式進行較平曲面模具的加工，需合理選擇球刀參數和相應增加刀具的加工路徑，因為在加工較平曲面的模具時，球頭刀具的中心旋轉線速度接近零，極其容易損傷刀具，影響加工模具的表面質量。應用五軸加工中心進行加工，可基于五軸加工中心對球刀以及工件表面角度進行調整，確保刀具線速度，防止上述問題的發生。

2.4　不規則曲面的模具加工

采用三軸加工中心方式進行不規則曲面模具的加工，需要保證刀具圍繞固定的切削輸入路徑來完成切削模具表面的加工。當切削工件具有比較復雜的曲率時，刀具刀尖部分在加工過程中難以始終保持良好切削狀態和角度，無法滿足不規則曲面模具的高精度加工要求。應用五軸加工中心聯動加工方式，可以確保刀具即使面對復雜曲率變化和較深的加工凹槽，刀尖都可以保持良好切削狀態，能夠自動選擇最優路徑來完成加工，還可運用畫直線的加工方式，提升加工精準度。

2.5　不同幾何形狀的模具加工

采用五軸加工中心聯動的方式加工不同幾何形狀的模具，可使刀具在切削過程中始終保持良好的切削狀態，并且能使刀具按照加工表面曲率變化以及機床輸入要求任意轉換角度。在加工具體滑塊的凹槽部分時，無需轉換工序或再次裝夾工件，只需將程序提前設置好，刀具即可在操作中自如切削和轉換，從而提升加工效率，獲得良好的加工質量[2]。

2.6　斜面具有斜孔的模具加工

三軸加工中心無法加工斜面具有斜孔的模具，而五軸加工中心可充分發揮擺頭式機床的優勢，通過確定要需加工工件的斜面，明確主軸位置以及加工口大小，確保有兩個線性軸完成插補運動操作，對加工口位置完成精準定位后進行操作，以保證斜面加工口的準確性。在加工過程中，需調整模具的斜面，使其與加工主軸垂直，在進行斜孔的加工時，只需主軸這一個線性軸，即能夠完成斜孔的加工成型，并且可確保斜孔精度。

2.7　無方向變化的直線模具銑削

當模具加工過程在存在無方向變化的直線時，采用刀尖畫直線的方式，能夠加工出一條不存在方向變化的直線。五軸加工中心的刀具可根據軸線進行切削加工，在加工過程需確保刀尖固定度，一旦刀尖如果在旋轉中出現位移，即便是輕微變化，也會導致工件表面出現劃痕或影響工件表面精度，因此在使用過程中需加以重視。除此之外，五軸加工中心具備五軸控制作用，在五軸同時加工時，雖然刀具圍繞中心軸線開展作業，但在進行無方向變化的模具銑削時其刀尖依舊會在系統控制下保證固定不動，因此要求X、Y、Z三軸對其進行補償，以確保工件表面的質量和精度。

3　結語

在模具加工中，采用五軸加工中心的方式可有效降低三軸加工中心作業過程中對刀具的影響，尤其是在復雜零件加工中，還能有效提升加工效率和加工質量，獲得良好的加工效果。此外，五軸加工中心相較于三軸加工中心，刀具應用的合理性、高效性、精度都能得到有效提升，并且能夠延長刀具使用壽命，減少刀具的應用類型和更換次數，簡化加工流程，縮短模具生產周期，提高生產企業的經濟效益。

[1] 張吉林.五軸加工中心在模具加工中的應用研究[J].中國設備工程,2018(1):159-160.

[2] 黎宇弘.五軸加工中心在模具加工中的優勢應用點分析[J].中國設備工程,2018(16):103-104.

Research on the application of five-axis machining center in die machining

XUE Ming

(Dongguan Technician College, Dongguan, Guangdong 523468, China)

With the continuous improvement of people's living standards, in order to meet the demand of consumers for products, the design and production of products are characterized by rapid updating, high precision, batch, and diversification. Mold processing plays an important role in the mass production of various products. In order to ensure product quality, it is necessary to avoid the problems of low production efficiency and low product accuracy in mold processing and manufacturing. With the improvement of design and production standards, mold processing machine tools used in production enterprises have been generally upgraded from traditional three-axis machining centers to five-axis machining centers. Therefore, giving full play to the technical advantages of five-axis machining centers and studying their application in mold processing can effectively improve production efficiency and accuracy and ensure product quality.

die; five-axis machining center; three-axis machining center; cutter

TG659

A

2096–8736(2022)05–0033–03

薛明，男，四川巴中人，大學本科，講師，高級技師，主要研究方向為機械設計、數控技術、智能制造、CAD/CAM及CAPP技術。

責任編輯：陽湘暉

英文編輯：唐琦軍