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什么才是五轴CNC加工,怎样利用五轴加工中心?

CNC机床网 2019-02-10 15:18:49

  似乎听起来很奇怪,如果文艺复兴时期的艺术家可以用锤子和凿子交换计算机数控(CNC)和一台正确的机床,那我们或许就能看到成千上万个从大量不同的材料中雕刻出的大卫雕像。


  然而,无论您是在大理石上雕刻出一个杰作,还是从钛金属上铣出一个叶片,其基本原理都是一样的:从一块材料开始,去除多余的部分,直到留下的是目标对象。当然,这个过程的细节要复杂很多,特别是对于五轴加工而言。


  究竟什么是五轴CNC加工?


  用最简单的术语来讲,五轴加工就是利用CNC同时在五个不同的轴上移动零件或切削刀具。


  它能加工非常复杂的部件,这就是为什么五轴加工在航空航天领域尤其受欢迎。不过,以下几个因素有助于更广泛地采用五轴加工:


  • 推动机床向“一次性加工完成”转变,缩短交付周期,提高效率。


  • 通过使切削工具或工作台倾斜来避免干涉,从而也能更好地加工零件的几何形状。


  • 由于刀具或工作台可以倾斜,就能保持最佳的切削位置和恒定的切屑负载,因此提高了刀具寿命,并减少了循环时间。


  “五轴”的轴指的是什么?


  我们都知道牛顿和苹果的故事,但也有一个关于著名数学家与哲学家笛卡尔类似的轶事。一天,笛卡尔躺在床上(正如数学家和哲学家们习惯做的那样),此时他发现一只苍蝇在房间里嗡嗡作响。他意识到仅仅使用三个数字就可以描述这只苍蝇在房屋三维空间中的位置,用变量X,Y和Z表示。这就是著名的笛卡尔坐标系,在他去世后的三个多世纪里一直在使用,直到现在。因此,X、Y和Z轴占了五轴加工的“五轴”中的三个轴。


  那么另外两个呢?


  想象一下近距离观察那只飞行途中的苍蝇。我们不仅能将其位置描述为三维空间中的一个点,还可以描述它的方向。当它转动的时候,想象苍蝇翅膀像飞机机翼一样摆动翻滚。它的这种滚动被描述为第四轴,即A轴:绕X轴旋转。


  继续用飞机作比喻,这只苍蝇的俯仰被描述为第五轴,即B轴:围绕Y的旋转轴。聪明的你无疑会推断出第六轴——C轴的存在,C轴绕Z轴旋转,这就是我们例子中苍蝇的“偏航角”。如果你很难想象上面描述的这六个轴,这里有一个图:

  A、B和C轴按字母顺序排列,与X、Y和Z轴对应。虽然有六轴数控机床,但五轴布局更为常见,因为添加第六轴通常不会带来多少额外的好处。


  关于轴向分类还有一个约定俗成的规定:在立式加工中心中,X轴和Y轴位于水平投影面上,而Z轴位于垂直投影平面上;在卧式加工中心中,Z轴和Y轴相反。见下图:

立式加工中心(左),卧式加工中心(右)


  五轴布局


  五轴机床的具体布局决定了它使用三个旋转轴中的哪两个。例如,耳轴式/双转台式五轴机床以A轴(围绕X轴旋转)和C轴(绕Z轴旋转)进行操作,而(铣头)旋转摆动式机床以B轴(围绕Y轴旋转)和C轴(围绕Z轴旋转)进行操作。

上图为双转台式

上图为双摆头式

  双转台式机床中的旋转轴通过工作台的运动来表现,而旋转摆动式机床的旋转轴通过旋转摆动主轴来实现。这两种风格都有自己独特的优势。例如,双转台式机床的垂直利用空间更大,因为不需要补偿旋转摆动主轴所占据的空间。另一方面,旋转摆动式机床可以支撑更重的部件,因为工作台面总是水平的。


  您需要几个轴?


  您可能曾看到或听说有提供七轴、九轴甚至十一轴的加工中心。尽管许多附加的轴看起来让人难以置信,但实际上却没那么复杂。


  “当你使用的机床有不止一个车削主轴时,你就有了更多的轴,”Mazak工业应用工程经理Mike Finn解释说,“例如,我们的机床有次主轴和一个下转台。在这样的机床上,你将有这些轴:上转台一共有4个轴,下转台2个轴,还有相对的两个主轴也可算2个轴。这样的机床可以达到9个轴。”

  “然而你加工的零件仍然是五轴加工零件,”Okuma的产品专家销售经理Wade Anderson补充说,“你可以在一台5轴机床上完成一个像航空航天阀门那样的组件。或者在一台多轴机床(具有旋转B轴,X、Y和Z轴以及双C轴,还有一个下部转台,能提供第二个X轴和Z轴)上加工,但零件本身的几何形状是不变的。”


  那么你需要几个轴?制造业通常是这种情况,这个问题的答案取决于你的具体应用。


  Finn给出了以下例子:“涡轮叶片是一个自由表面,相当复杂。加工这样的叶片最有效的方法是使用五轴机床,使刀具螺旋式地绕着叶片翼面切削。你也可以通过不断变换叶片位置,用三轴机床来对其表面进行加工,但这通常不是最有效的方式。


  Anderson同意:“零件的几何形状决定了采用三轴、四轴或五轴布局。”


  然而,重要的是要记住,你需要的轴数不仅仅取决于零件。


  Anderson讲道:“零件起着很大的决定作用,但还要考虑客户的需求。如果一个客户让我做一个航空航天钛支架,我大概会说‘五轴加工中心最适合加工它了’,但他们可能更倾向于用我们的多功能机床来制造零件。多功能机床可能不如五轴加工中心那般优化,但可为客户提供车削的机会,也许车轴、卡钳等操作是他们长期生产计划的一部分。”


  “另外需要考虑的是作业空间,”Finn补充说,“在不影响刀具更换和零件转换的前提下,你可以放入机床的零件尺寸最大是多少?这需要了解机床的具体功能,以及它能做什么和不能做什么。”


  为什么要使用五轴加工?


  要在三轴加工和五轴加工之间做出决定,五轴加工虽然更好,但如果成本是你唯一关心的话,那么前者显然是要采用的方式。然而,当比较“5轴”和“3+2轴”时,这个两难选择会变得更加复杂。


  “5轴”VS“3+2轴”


  正确区分5轴加工和3+2轴加工是很重要的。前者——也称为连续或联动的五轴加工。需要沿着所有五个轴线连续调整切削刀具,使刀尖始终最佳地垂直于零件。


  与此相反,后者——也称为5面或5坐标加工。需要执行3轴程序,其切削刀具锁定在两个旋转轴所确定的角度上。在切削过程中,需要沿着旋转轴线重新定位刀头方向,这样的加工也称为“5轴可转位”,尽管它仍然用3+2来计算。


  五轴联动加工相比五坐标加工的主要优势是速度,因为后者需要在刀具的每次重新定向之间停止和启动,而前者不需要。然而,无论使用联动的还是坐标的“五轴”,都应该可以产生相同的结果。 (请读者在下面的评论部分分享只能用联动5轴加工的零件的例子。)


  同时值得注意的是,对于五轴加工,伴随速度优势的出现,会需要更多的运动部件,这将导致更多的磨损,而且更加需要进行部件碰撞检测。从编程的角度来看,这是五轴联动加工更加复杂的原因之一。


  5轴加工VS3D打印


  3D打印或者说增材制造是当今制造业的热门话题,特别是拿它与减材制造工艺(如五轴加工)相比较时。


  虽然有时人们会说这两种加工方法是竞争关系,3D打印的铁杆粉丝甚至争辩说增材制造技术将很快颠覆整个制造业,当然,更温和的观点认为增材制造和减材制造是互补的。

  “我不认为增材制造将会完全取代减材制造,但我确实认为因为有了增材技术,现在有机会设计过去无法设计的零件了,甚至可以将功能扩展到近净成形。” Finn说,“但是仍将有许多零件需要减材加工才能达到理想的公差。例如,具有非常严格的圆度公差的零件。”


  这是否意味着制造业的未来将是3D打印机与五轴CNC的混合,或者再加上个坐标测量机?


  Anderson并不那么肯定:“3D打印在实验室环境之外的现实世界中还没有实际投入生产的组合式机器,但是可以举个例子,通过自动化可以将一台具有激光沉积功能的机器和一台具有车削或铣削功能的机器完美结合在一起。”


  接下来就要对这两台独立的机器所产生的粉末和切屑进行管理了。


  “例如,要用激光沉积技术做一个15公斤的钛金属零件,就需要70到140公斤的流动钛粉末。”Anderson说,“假如这是一个和切削相结合的机器,那么粉末就不是那么好回收了。”


  Finn总结说:“我认为增材制造势必会减少那些需要进行粗加工的加工量。”换句话说,关于3D打印和五轴加工之间是何种关系的讨论,合作往往大于竞争。 


  如何充分利用五轴加工?


  五轴机床的加工功能得不到充分利用的事例并不罕见。


  Finn表示:“你可能拥有一台好机床,但却不完全了解它的全部功能,或者可能没有创建切削程序所需要的软件,因而不能充分发掘机床的潜力。”


  Anderson同意:“当看到一家公司出于种种原因,花费巨资引进一台多功能机床,五轴的、或者更多轴的,结果却拿它当三轴机床使用。对于机床制造商而言,这是个令人痛心的事情。然而,这种事情经常发生。”


  “很多都是人员问题,”Anderson补充道,“要进行培训,使他们了解如何利用机器。有时候,他们很难在同一过程同一时间内综合考虑零件的上翻、下转,主轴和次主轴等方面的问题。这确实有点让人不知所措。有很多软件公司能够替你分担这种思考,从而做的更好,但这依旧不那么容易。”


  五轴的控制和软件的重要性


  虽然拥有具备五轴加工技能的技术工人很重要,但机床的控制和软件也同等重要。“当你进行高速五轴加工时,机床的伺服驱动器和反应时间对于在加工过程中避免过切或切不足显得非常重要,”Finn说,“机床控制器必须要能足够快地处理数据,从而使刀具路径成为一个漂亮、平滑、均匀的运动。同样地,创建五轴程序的软件也必须能够写出流畅的代码,使机床可以顺利运行。”


  选择正确的CAD/CAM软件是充分利用机床的一大关键。


  “如果你正在做航空涡轮叶片,那么就需要配备高端软件。”Anderson说,“如果你只是把某家汽车公司的铝铸件加工成一个小型部件,而你所做的可能就是在发动机壳上钻几个孔,那就完全不同了。”


  Finn补充说:“如果你的零件加工需要CAM软件生成切削程序,那么就应该在CAM系统上进行必要的投资来辅助机床实现必要的功能。”


  五轴机床上如何避免碰撞


  当涉及到创建5轴刀具路径时,通常要在更快的速度和进给与最大限度地避免碰撞之间进行权衡。幸运的是,如今市场上已有许多软件工具可以帮您消除这种顾虑。


  Anderson说:“利用防碰撞软件,你可以上传零件和刀具的三维模型,软件程序会提前预知刀具的每一种动作,由此可以发现是否会遇到什么问题。同时,夹具被正确地建模后,会捕捉碰撞发生的可能。”

  “有的软件可以进行机器仿真以及三维虚拟监控,”Finn评论到,“这对于高价值的零部件尤为重要。你不愿看到有任何类型的碰撞致使零件报废,更不愿看到人员受伤或机器损坏。”


  五轴机床的刀具检测


  高生产率是五轴加工的一大优点,但也增加了出错的风险,比如可能使用已经破损的刀具或是错误的工具。最大限度避免这种错误发生的办法之一是选择一套刀具检测系统。


  五轴:一次性加工完成?


  制造业的一个远大目标就是一次性地完成加工:将一块材料放入机床中,然后运行程序,最后得到一个完美的精加工零件。“一次性完成”的目标值得不断追求,即使它最终也无法完全实现。


  可以说五轴加工比其他任何工艺都更能使我们接近于“一次完成”的目标,即使是3D打印的零件也需要精加工。由此而论,五轴加工“目标”实现的主要制约因素应是工件夹紧。


  “五轴加工的多数工作都涉及到工件夹具。”Anderson说,“你可以拥有世界上最好的机床,但如果工装夹具很差劲,那么你永远也造不出你想要的。”


  Finn认为,解决这个瓶颈的关键在于利用超过5个轴的机床:“例如,对于配备了相对的车削主轴以及一个下转台的机床。零件可以在一个主轴上切削,然后转移到相对的主轴上加工该零件的其余部分。所以,从本质上讲,这基本实现了装载一块原材料,然后卸载一个完成品的目的。


  五轴切削技术


  五轴加工提供了显著的优势,包括缩短交付周期、提高效率和延长刀具寿命。然而,要获得这些好处不仅只是购买一台最新式的五轴加工中心。


  掌握五轴切削技术需要考虑许多因素。在这个话题上,Anderson说:“当我们查看客户所遇到的问题和阻碍时,很少有关于零件切削的。通常都是关于培训、人员以及在给刀库准备足够多的刀具之前如何让机床和工艺路线正确地联系在一起这类问题。某种程度上,加工业务周边的事物比实际制造零件更为重要。”(Ian Wright )


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