五軸加工中心在汽車模具制造中的應用

沈陽機床股份有限公司中捷鉆鏜床廠（遼寧 110142）郭生濤

汽車零件的設計主要由CAD系統、逆向工程及各種試驗完成，模具復雜表面的加工程序則來自CAM軟件，但如何保證設計及加工的精度要依靠數控加工，下面討論一些在模具加工中五軸數控系統的應用與模具質量的關系。

三軸加工和五軸加工模具的對比

應用三軸加工中心做深腔模具加工只能靠加長刀柄及刀具來實現（見圖1），但五軸加工中心在加工較深、較陡的型腔時，可以通過工件或主軸頭的附加回轉及擺動為加工創造最佳的工藝條件，適當縮短刀具長度，并可避免刀具及刀桿與型腔壁發生碰撞，減小刀具加工時的抖動和刀具破損的危險，從而提高模具的表面質量、加工效率和刀具的壽命（見圖2）。

圖1

應用三軸加工中心加工一個模具的側壁時，側壁的深度就決定了選用刀具的長度，刀具長度必須大于側壁的深度，刀具長度增加，就會降低刀具的強度，如果刀具長度超過3倍徑就會出現讓刀現象，很難保證工件質量（見圖3）。利用五軸加工中心加工工件側壁，可以擺動工件或主軸使刀具與工件側壁垂直，然后選用平面銑刀銑側壁，能很好地保證工件質量又能延長刀具壽命（見圖4）。

圖2

圖3

圖4

應用三軸加工中心加工一個較平的曲面時，應用球刀來精銑，以得到較好的表面質量，這樣就應該增加刀路。但大家知道，球頭刀的刀具中心旋轉起來的線速度接近零，所以在加工中對刀具損傷很大，使刀具壽命縮短，表面質量變差（見圖5）。用五軸加工中心加工一個較平的曲面時，為了提高球頭刀與工件間的相對線速度，如圖4所示把刀具在工件上成一定的角度加工，使球頭刀與工件間的相對線速度增加，這樣既能提高刀具的壽命，又能提高工件表面質量（見圖6）。

圖5

圖6

另外在五軸加工中心進行斜面上法向孔加工時，在擺頭式機床中加工動作是通過擺頭把主軸放置到與工件上的斜面垂直的方向再定位到孔的位置，孔加工時需要至少兩個線性軸插補運動才能把斜孔加工出來，這樣大大降低了孔的精度。應用擺臺式五軸加工中心進行斜面孔加工時，其動作是通過擺臺把工件上的斜面擺放到與主軸垂直的方向，孔加工時只需要主軸一個線性軸運動即可，這樣大大提高了孔的精度（見圖7）。

圖7

五軸加工系統的其他優點

現在汽車模具對模具的表面質量和切削加工速度所提出的要求已經越來越高。應用五軸數控系統加工帶有三維曲線的平面時可以取得最佳切削狀態，在機床加工區域內的任意位置通過刀具軸的設置角度改變，加工不同的幾何形狀。

造型相同的不規則曲面通常用三軸加工，切削刀具方向在沿著整個切削路徑運動過程中保持不變，刀尖的切削狀態始終無法在整個曲面的各個部位都達到完美。但對于深凹槽或頻繁改變曲率的曲面則需要使用五軸數控系統加工，刀具的方向或者工作臺的位置可改變，切削刀具始終都能保持最佳的切削狀態，在沿著整個加工路徑運動過程中可對刀具方向進行優化，同時刀具作直線運動，這樣，在整個曲面的各個部位都達到完美。如果要銑削一條無方向變化的直線，刀架劃一條直線就行了。如果方向同時改變，則刀尖劃一條曲線。若使刀尖在方向改變時能劃出所需要的直線，則必須對這條曲線進行補償，這是五軸加工時至關重要的一點。在控制系統不考慮刀具長度的情況下，刀具圍繞軸的中心旋轉。刀尖將移出其所在的位置，并不固定。但在控制系統中增加了五軸控制功能，控制系統只改變刀具的方向，刀尖位置仍保持不變。X、Y、Z軸上必要的補償運動已被自動計算進去，保證了加工的精度。