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摘要：五軸聯(lián)動(dòng)銑削可以?xún)?yōu)化切削過(guò)程、參數，有利于降低刀具磨損、減少后加工，是汽車(chē)模具加工技術(shù)發(fā)展的潮流。它適合于使用球頭銑刀加工小曲率的凸表面和較淺的凹表面，也可用于使用銑刀側面加工自由表面。采用3+2軸加工方式可以大限度加快走刀。數控銑削比仿型銑削精度高、后加工少。實(shí)現五軸高速銑削加工需要不斷加強機床計算機數控系統的功能，使之能夠直接接收全部設計數據并加以利用，能夠前瞻處理多個(gè)程序塊，能夠方便用戶(hù)介入計算機輔助制造過(guò)程修正設計數據。
1 引言
應用高速切削(HSC)技術(shù)加工制造模具，具有切削效率高、可以明顯縮短機動(dòng)加工時(shí)間，加工精度高、表面質(zhì)量好因此可以大大縮短機械后加工如磨削、人工后加工和取樣檢驗輔助工時(shí)等許多優(yōu)點(diǎn)。國外制造某種汽車(chē)車(chē)門(mén)拉伸模具時(shí)，粗銑后應用高速銑削技術(shù)比傳統銑削工藝增加一道半精銑工序約10h，但精銑時(shí)間從36h縮短到30h，并完全節省了其后的鉗工平整走刀痕跡工作20h，鉗工鏟刮從30h減少到4h，鉗工拋光從20h減少為10h，總工時(shí)從106h縮短到了54h。
生產(chǎn)實(shí)踐表明，通過(guò)引進(jìn)和應用高速銑削加工技術(shù)，尤其是相關(guān)的五軸聯(lián)動(dòng)銑削、計算機輔助設計(CAD)/計算機輔助制造(CAM)和計算機數控(CNC)技術(shù)，有力推動(dòng)了汽車(chē)模具制造的發(fā)展。
2 五軸聯(lián)動(dòng)銑削
銑削加工能夠獲得良好的曲線(xiàn)型近似表面。使用球頭刀具進(jìn)行三軸聯(lián)動(dòng)銑削時(shí)，通過(guò)x、y、z3根軸方向的直線(xiàn)進(jìn)給運動(dòng)，可以保證刀具切到工件上任意坐標點(diǎn)，但刀具軸線(xiàn)的方向不可改變。刀具軸線(xiàn)上的點(diǎn)實(shí)際切削速度為零，刀具中央的容屑空間也很小。如果這些點(diǎn)參與切削，不利的切削條件會(huì )導致加工表面質(zhì)量下降，刀刃磨損加劇，加工時(shí)間延長(cháng)，使高品位的刀具材料得不到充分利用。
與三軸聯(lián)動(dòng)銑削比較，五軸聯(lián)動(dòng)銑削具有一系列優(yōu)點(diǎn)。此時(shí)，通過(guò)2根旋轉軸的運動(dòng)，可以隨時(shí)調整刀具軸線(xiàn)的方向，使銑刀軸線(xiàn)與工件表面夾角和實(shí)際切削速度保持不變�？梢愿鼮殪`活地設定走刀路徑，以滿(mǎn)足對工件表面給定的峰谷深度的要求。其中使用球頭刀具加工時(shí)，無(wú)論刀具相對工件處于什么方位，總是在半球面上分離切屑。因此每次總是切下幾何形狀和尺寸相同的切屑。發(fā)生改變的是分離切屑時(shí)刀刃的運動(dòng)軌跡，以及由此而確定的刀刃接觸條件和切削幾何運動(dòng)條件。也就是說(shuō)，可以通過(guò)有目的地改變和確定刀具的方位，來(lái)影響切削過(guò)程和幾何運動(dòng)參數，并可從刀具磨損、表面質(zhì)量和加工過(guò)程穩定性等方面入手優(yōu)化二者，如下圖所示。
圖 球頭銑刀五軸銑削幾何運動(dòng)關(guān)系
當然，五軸聯(lián)動(dòng)銑削的數控編程比較復雜，對計算機數控(CNC)系統的計算能力和速度要求更高，在需要機床各直線(xiàn)進(jìn)給軸作大幅度補償運動(dòng)的同時(shí)又要求避免發(fā)生干涉碰撞。因此在模具制造中，只能利用五軸聯(lián)動(dòng)銑削的優(yōu)點(diǎn)加工一定范圍內的工件。
五軸聯(lián)動(dòng)銑削可以令人滿(mǎn)意地用于加工下凹較淺的零件，例如一種商用車(chē)車(chē)頂襯里的壓鑄模。當數學(xué)描述復雜的工件表面可以采用銑刀側銑時(shí)，也能夠應用五軸銑削加工。國外一家汽車(chē)制造配套廠(chǎng)家，利用五軸銑削的走刀行程同時(shí)加工出活動(dòng)組合模具的外形輪廓和壓邊圈。但是，下凹深且局部形狀復雜的模具一般不能夠采用通常的五軸銑削加工，因為刀具可能會(huì )與工件發(fā)生干涉。
限于技術(shù)發(fā)展當前的水平，五軸聯(lián)動(dòng)切削機床2根旋轉軸的運動(dòng)速度和加速度較低，導致五軸聯(lián)動(dòng)銑削往往不能夠充分發(fā)揮高速切削機床的性能和威力。此時(shí)，比較恰當的折中方案是3+2軸加工，既保證工件輪廓上各點(diǎn)切削時(shí)幾何運動(dòng)條件基本相同，又使軌跡運動(dòng)速度和加速度比較高。實(shí)際運用中首先將工件輪廓劃分為不同區域，在各區域內盡可能優(yōu)地調整刀具的方位。隨后采用三軸聯(lián)動(dòng)插補方式切削加工工件各區域輪廓，雖然不能保證切削條件完全不變，但可以避免發(fā)生不利的情況例如刀具頭部中央參與切削。
實(shí)踐經(jīng)驗表明，使用圓柱立銑刀五軸聯(lián)動(dòng)銑削時(shí)走刀間距寬闊，對于所需要的人工后加工反而產(chǎn)生不良作用，因為工件輪廓上指明后加工位置的凸峰彼此間隔也遠得多，人工打磨后形成起伏不平表面的可能性增大，這在汽車(chē)覆蓋件模具是不允許的。相比之下，使用球頭刀具走刀間距小得多，產(chǎn)生的近似輪廓上很接近的凹槽低谷，能夠為人工打磨模具表面指明方位。
模具工業(yè)對機床工業(yè)提出了特殊要求，其中一個(gè)突出的發(fā)展趨勢是五軸聯(lián)動(dòng)機床。統計數字顯示，德國一些專(zhuān)門(mén)化機床生產(chǎn)廠(chǎng)家全部產(chǎn)品的50%～80%提供給模具制造廠(chǎng)家，其中有至少16%多達到50%～60%的五軸聯(lián)動(dòng)控制機床。甚至還有廠(chǎng)家批量生產(chǎn)和提供多可以六軸插補的數控機床，主要用于加工斜面和孔。除此之外，仍然有相當比例的仿型銑床提供給模具制造廠(chǎng)家，不過(guò)數量逐年下降。通用機床生產(chǎn)廠(chǎng)家也有很高比例的產(chǎn)品提供給模具制造廠(chǎng)家，但主要用于加工制造中小模具，如家用器具模具或玩具模具。其中五軸聯(lián)動(dòng)機床的比例不高，僅占大約3%～5%。
機床的每一根運動(dòng)軸都是一個(gè)誤差來(lái)源。五軸聯(lián)動(dòng)機床上2根旋轉軸運動(dòng)的出現，使得加工精度比三軸聯(lián)動(dòng)機床較難達到指定數值，但0.1mm數量級的模具制造精度不難達到。機床制造廠(chǎng)家認為，精度問(wèn)題不是決定性的，并沒(méi)有阻擋投資生產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)機床這一發(fā)展趨勢。影響五軸聯(lián)動(dòng)機床運動(dòng)精度和速度的首要因素是控制系統的性能，然后是驅動(dòng)系統的性能，以及機械設計的水平。
3 模具加工的自動(dòng)控制
只有建立從產(chǎn)品設計、工藝規劃、數控編程到銑削加工的全局觀(guān)念，也即CAD/CAM技術(shù)集成一體，才能夠為五軸聯(lián)動(dòng)銑削自由表面提供適宜的實(shí)現途徑。
擁有五軸聯(lián)動(dòng)機床的模具制造廠(chǎng)家，對單單只采用CAM技術(shù)的做法提出了批評。在實(shí)踐中可以發(fā)現，汽車(chē)制造配套廠(chǎng)家有一小部分工作，是直接利用CAD數據經(jīng)由數控銑削完成。而大部分的工件幾何數據，還是由客戶(hù)以仿型樣件或設計模型的形式提供。不幾年前，汽車(chē)工業(yè)開(kāi)始要求完全放棄使用樣件和模型來(lái)制造模具，盡管這一目標短時(shí)間內不容易實(shí)現。
與仿型銑削平均加工精度為0.6mm相比，數控銑削加工精度較高，可以控制在0.2mm以?xún)�。淘汰仿型加工和模具涂色配刮，還可以防止產(chǎn)生累積誤差。例如單是溫度的變化，就能夠在大的樣件上造成大于0.1mm的尺寸變動(dòng)。再如當成品模型或其零件損壞后不可修復需要更換時(shí)，對連接表面的加工精度要求在5μm之內，只能通過(guò)直接數控銑削獲得。實(shí)際經(jīng)驗表明，這樣生成的表面，需要的人工后加工工作量可以減少50%。這些實(shí)在的優(yōu)點(diǎn)，對于模具制造具有決定性意義。因此，越來(lái)越多廠(chǎng)家完全直接應用數字控制技術(shù)，來(lái)制造全部模具。
經(jīng)過(guò)努力開(kāi)發(fā)，象三軸聯(lián)動(dòng)數控一樣，在現代模具制造中五軸聯(lián)動(dòng)NC系統也允許操作者通過(guò)控制臺旋鈕讓機床超速進(jìn)給，以便盡可能提高刀具的移動(dòng)速度。面對用戶(hù)的抱怨，即經(jīng)由CAD數據、CAM處理器、NC處理器和后處理器正常生成NC加工程序時(shí)，后繼編輯和補償所需的數據在機床控制系統中已經(jīng)不復存在，控制系統制造廠(chǎng)家正在改變方法，把全部CAD數據直接傳送到CNC系統中提供利用。這樣一來(lái)，盡管NC加工程序中并未包含例如同切削點(diǎn)法向矢量有關(guān)的信息數據，NC系統仍然能夠進(jìn)行三維的刀具補償。此外，還允許直接在機床旁方便地改變例如加工策略、刀路、使用的刀具、工件位置等工藝內容。僅僅這一項技術(shù)改進(jìn)，可以成倍提高數控加工整個(gè)過(guò)程的運行速度。
針對NC編程語(yǔ)言影響過(guò)程運行的速度和精度的問(wèn)題，有制造廠(chǎng)家把改進(jìn)目標放到要讓NC系統能夠較為直接地處理曲面的CAD描述上，也即不經(jīng)過(guò)NC編程語(yǔ)言中間搭橋。其結果，使NC系統處理程序塊的正常時(shí)間降低到2ms，短時(shí)間可達到0.5ms。這樣一來(lái)，NC系統的速度不再是瓶頸，需要拖帶沉重工件即汽車(chē)模具的進(jìn)給驅動(dòng)系統轉而變?yōu)楸∪醐h(huán)節。
由于CAD數據經(jīng)常存在缺陷或不完整，還有NC系統制造廠(chǎng)家便想方設法方便用戶(hù)介入CAM過(guò)程，去發(fā)現和修正不正確的數據，但刀具補償還是由NC系統完成。此時(shí)除了補償刀具長(cháng)度，還可以在狹小的公差范圍內補償小的、重磨的刀具的半徑，并且不需要改編刀路。以上這些制造廠(chǎng)家目前提供的NC系統，都可以對五軸聯(lián)動(dòng)銑削加工補償刀具長(cháng)度和工件位置。
另外，對模具制造具有重要意義的速度預控制(前瞻)功能，已經(jīng)成為現代CNC系統的一個(gè)標準特征。這一功能的設立，可以使NC系統預先處理多個(gè)即將到來(lái)的程序塊，以便進(jìn)給加速度和刀路速度與被銑削的工件輪廓相適應，不讓進(jìn)給速度在每一程序塊終結時(shí)降低到零。在模具制造中常見(jiàn)的自由表面，往往要求加工時(shí)密布中間插值點(diǎn)，這時(shí)利用前瞻功能可以控制機床產(chǎn)生平滑的軌跡運動(dòng)，同時(shí)保持很高的刀路速度。有制造廠(chǎng)家進(jìn)一步開(kāi)發(fā)成功具有適應前瞻功能的NC系統，能夠在運行過(guò)程中作機床誤差補償。另一方面，由于需要的計算量太大，目前機床控制系統還不能夠通過(guò)在線(xiàn)計算發(fā)現加工干涉情況，需要在今后繼續努力改進(jìn)。
4 結束語(yǔ)
五軸聯(lián)動(dòng)高速銑削加工技術(shù)在汽車(chē)模具制造中應用日益廣泛，推動(dòng)了汽車(chē)模具制造的發(fā)展。應用五軸銑削加工需要注意到適用的工件形狀、有利的加工方案和合適的刀具。只有通過(guò)綜合運用計算機輔助設計/計算機輔助制造技術(shù)，尤其需要努力加強機床計算機數控系統的功能，才能夠充分發(fā)揮五軸高速銑削加工的優(yōu)點(diǎn)而取得成效。
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