五轴加工中心在模具加工中的应用研究
2018-12-21 来源： 大连市轻工业学校 作者：张吉林
摘要：五轴加工属于数控加工比较重要的技术部分，虽然三轴加工中心在传统的模具加工中有着普遍的应用，但随着我国在模具加工技术上的快速发展以及对加工表面更高的要求，传统的立式加工中心和三轴加工中心逐渐满足不了生产的要求，五轴加工中心的出现不仅提高了加工的光洁度，还克服了传统法中许多的不足。本文就从五轴加工中心的概念出发，分析了三轴加工中心与五轴加工中心的区别，说明了五轴加工中心的优势，并说明了五轴加工中心在汽车模具中的简单应用。
关键词：五轴加工中心；模具加工；应用；研究
1、 对五轴加工中心的概述
1.1 五轴加工中心的概念
五轴加工中心又叫做五轴联动加工中心，这种加工方法可以解决曲面较复杂的模具加工现象，而且它运用了较发达的科技水平，加工的表面精度较高，在我国航空航天和军事科研以及精度要求较高的医疗机械设备的制造中有着不可替代的作用。在我国的叶轮加工和重型发电机的转子加工中，五轴联动加工数控系统是进行加工的唯一途径，除此之外，五轴联动加工中心还包括了对船用的螺旋桨和汽轮机的转子及大型的柴油机曲轴的加工，重要的是这些部件加工的唯一途径就是五轴联动加工中心。
1.2 五轴加工中心的特点
五轴联动加工中心适用于空间曲面加工，可以同时加工 X、Y、Z、A、C 五个面，也就是说由 xyz 和 ac轴共同构成了整个加工中心。五轴联动加工中心效率高，加工出来的表面具有很高的精度，它不同于五面体加工中心，后者和三轴加工中心较为相似，它的特点是可以同时进行五个面的加工，但是对于异型加工和打斜孔等的操作有技术缺陷无法操作，五轴联动加工中心可以进行五个轴面的空间曲面加工，而且在异型加工和镂空加工、斜孔和斜切方面较为擅长，对于比较现代的汽车零部件和飞机组成的结构件的加工有着较高的操作力。在五轴联动加工中心中，只需将工件进行一次装夹便可以进行较复杂的加工，与普通的车床、铣床加工不同，更为省时省力。
1.3 分析五轴加工中心的发展前景
五轴联动加工中心应用广泛，不仅在如木模制造和汽车的内饰件加工等民用行业有着很多的应用，在精度要求高的航空航天和精密仪器（包括了军事仪器和高精度的医疗设备）等都受到了很大的欢迎。之前的空间曲面加工，五轴加工中心对其有了创新和解决的办法，不仅解决了复杂工件的加工难题，将机械化的加工任务变难为简，而且在此基础上提高了人们加工的效率，让加工的流程减少了很多，从上面看来五轴联动加工中心的发展会在技术的强化下被人们广泛的应用。
2 、分析五轴加工的优势
五轴联动加工中心可以将加工工件的表面在平面端铣刀的作用下保持一种垂直的状态，这样节省了加工时所需的时间，其在加工中刀具无须很长也可以一次性的操作完所有的工序，只需要将工件进行一次的装夹便可通过调整刀具的切削方向来完成复杂的曲面加工。五轴加工中心解决了有一定角度需求的侧面加工，为很多的制造带来了可能，而且对于加工的精度有了一定的技术保障，不仅弥补了三轴加工中心的技术缺陷，而且在此基础上加工出来的表面质量更好，如机床对于曲线加工、模具侧壁、不同几何形状的模具以及具有斜面、斜孔的模具类的加工。
3 、五轴加工中心在模具加工中的应用研究
3.1 关于深腔模具的加工
现如今人们主要通过 CAD 绘图来进行汽车零件的设计，用 CAM 软件来表达所需加工的模具表面的复杂程度，但是想要在加工中得到和设计图纸要求一致的加工精度，就需要人们对数控加工机床的灵活运用，首先在深腔模具的加工过程中，如果采用的是三轴加工中心的方法，就需要对刀柄和刀具进行加长操作，但是在五轴加工中心中，不仅可以在工件或者是主轴头的附加回转和摆动下实现较深和较陡型腔的加工，而且可以给型腔加工出较好的工艺水平。在五轴加工中心中，对于型腔的加工刀具的长度会比三轴加工中心有一定的缩短，这样就可以避免加工过程刀具与刀杆以及型腔间的碰撞在一定程度上起到保护刀具的作用，从而在保持模具质量和加工精度与效率的前提下延长了刀具的使用寿命。
3.2 关于模具侧壁的加工
在模具侧壁的加工过程中，通过三轴加工中心的加工对刀具的损伤较大，其刀具的长度一定要大于模具侧壁的深度，这样才能保证加工时的要求，而刀具的加长会对刀具的使用强度有明显的影响，大大降低了它的表面强度，如果刀具的长度超过三倍径时很容易出现让刀现象，即因为刀具强度差的原因，三轴加工中心即使操作中准确的进行走刀，加工的零件表面也会出现上厚下薄或者是尺寸误差过大的现象。但在五轴联动加工中心中，可以在对主轴或者是工件的摆动控制中将刀具和模具的侧壁控制在一个垂直的状态下，通过平面铣刀对侧壁进行加工，这样就既保证了工件的加工质量，又保护了刀具。
3.3 关于模具较平的曲面加工
在较平的模具曲面加工操作中，三轴加工中心需要选择球刀进行精加工来达到设计要求的加工表面，在三轴加工中心的加工中刀具要增加加工的路径，由于球头刀的刀具中心旋转线速度较小几乎为零，在较平曲面的加工过程中除了会对刀具造成严重的损伤而减少刀具的使用寿命，还会影响加工表面的质量从而达不到设计的要求；而在五轴加工中心的加工过程中可以通过五轴加工中心调整球刀与工件表面的角度来保证刀具的线速度，这样一来不仅可以避免这些现象的发生，保证了与设计要求相符的工件加工质量，还可以进行刀具的保护而延长它的使用寿命。
3.4 关于模具不规则曲面进行加工
在模具不规则的曲面加工过程中，通过三轴加工中心的加工虽然可以得到相应的工件，但是依然是保证不了加工的质量，三轴加工中心中刀具围绕切削输入的固定路径对模具的表面进行切削，如果遇到曲率较复杂的切削工件，刀具的刀尖部分不能够永远保持着最好的切削角度和切削状态，工件虽然在三轴加工中心的运行下完成了加工，但是远远达不到高精度的要求。但是在五轴联动加工中心的加工下，可以通过状态的输入与控制来保证在曲率变化复杂或者是较深的凹槽加工要求中刀具刀尖完美的切削状态，刀具在操作的过程中也会自动选择最佳路径来进行表面的加工，并且可以在曲线加工中变化直线加工的方式，保证加工的精准度。
3.5 关于模具不同几何形状的加工
在不同几何形状的加工情况下，如对三维曲线平面的加工，与上述不规则的曲面加工情形相似，五轴联动加工中心可以保证刀具在切削的过程中始终保持最佳的切削状态，而且刀具的角度也可以根据加工表面的曲率变化和机床的输入要求进行角度的任意转换，就如对一个滑块的加工，在凹槽部分不用进行工序的转换或者是工件的再次装夹，通过提前设置好的程序刀具便可以进行自如的转换和切削，从而完成了工件的加工。
3.6 关于模具斜面上斜孔的加工
在对有斜面斜孔加工要求的模具加工中，三轴加工中心无法对其进行加工，五轴加工中心中可在摆头式机床的帮助下，发挥其摆头加工的作用，寻找工件要加工的斜面表面而后设置主轴的位置和要加工的孔的大小，精准定位到要加工的孔的位置后进行如下的操作。要保证在斜面上加工孔的精确度，要保证有两个线性轴插补的运动操作。如果选用的是摆台式的加工模式，此方法是通过调整使得模具的斜面和加工的主轴保持垂直，对孔的加工只需要主轴的一个线性轴即可完成斜孔的成型加工，而且斜孔的精度也有相对的保证。
3.7 关于模具无方向变化直线的铣削
在加工无方向变化直线的模具中，刀尖划直线便可加工出一条没有方向变化的直线，同理要加工出变化方向的直线，刀尖在加工中划出曲线就可以加工出来，但是如果还想要在变化为曲线的基础上加工出直线就需要做出一定的补偿，五轴加工中心中刀具是围绕轴线来进行切削加工的，在此过程中需要保证的是刀尖的固定度，如果刀尖在旋转的过程中发生移动，即使是轻微的变化都会对加工的表面造成划痕或者其他影响，所以在使用五轴加工中心的过程中要注意这一方面。五轴加工中心有五轴控制的作用，所以在五轴同时进行加工的过程中，虽然刀具在围绕中心轴线进行切削加工，刀尖仍然可以在系统的控制下保持着固定不动的状态，所以要求 xyz 三轴在此过程中对其进行相应的补偿，从而保证加工出来的工件表面精度与工件的质量。
4 、 结语
在模具加工的过程中，使用五轴加工中心系统可以适当的延长道具的使用寿命，完成三维坐标系统无法加工的复杂曲面。本文主要论述了五轴加工中心在汽车模具如深腔、侧壁以及斜孔、复杂曲面类中的应用与加工，论述了五轴加工中心的概述和优势。
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