五軸加工中心在模具加工中的優勢應用點分析

黎宇弘

（廣東省智能制造研究所，廣東 廣州 510070）

伴隨著對消費品的多品類、高質量、快速更迭的需求，作為產品批量生產之母的模具，在其自身加工制造的精度與效率方面受到了挑戰。由于市場需求的推動，模具加工所采用的機床也逐漸從傳統的三軸加工中心向五軸加工中心過度。因此，在模具加工中發揮五軸加工中心的加工優勢，對提高模具生產的精度與效率，具有現實意義。

1 五軸加工中心概述

1.1 概念

五軸加工中心通常由三個相互正交的直線運動軸與兩個相互正交的旋轉軸聯動，在產生進給運動的同時實時改變工件坐標系中刀具軸線的方向。其常用于具有較為復雜的曲面結構的模具加工中，以此加工的模具通常具有更高的加工精度與表面質量。另外，五軸加工中心在航空航天、軍事裝備、汽車零件、生物植入體等具有空間曲面結構的高精度零件制造過程中發揮著重要的作用，尤其在葉輪、螺旋槳、異形轉子、曲軸等零件的一體化加工中，五軸加工中心起到了不可替代的作用。

1.2 功能特點

旋轉刀具中心點功能，又稱RTCP功能，是通過機床旋轉軸運動與平移軸運動聯動插補，實現加工時刀具軸線繞刀具中心點旋轉的功能。RTCP功能也可以解釋為對機床的旋轉運動造成的刀具中心相對于工件坐標系的平動的補償。RTCP功能主要的實現原理是讓數控系統根據五軸機床的結構、刀具的長度和工件的位置，計算在工件坐標系下刀具中心相對于每一個旋轉軸的擺長；然后根據刀具的擺長和旋轉運動，計算工件坐標下的補償平動運動；最終對補償值進行坐標旋轉，從工件坐標系旋轉為機床坐標系，得到機床坐標系下平移軸的補償平動運動。在工業應用中，該技術也被稱為“刀尖編程”，其實這只是應用了RTCP功能的結果。采用刀尖編程的優勢在于，只要使用同一品牌具有RTCP功能的數控系統，其編制的加工程序可以無需顧及各異的機床結構運行于各臺機床。

表面優化壓縮功能，是數控系統根據機床設定的公差范圍，通過預讀一定數量的加工程序段，對該程序段的G1直線指令包含的五軸坐標進行多項式樣條擬合，將機床實際的運動從小步距的直線插補轉化為大步距的樣條插補，實現機床各軸速度和加速度的優化控制的功能。復雜自由曲面五軸加工程序通常由許多步距非常小的G1插補指令組成，每一個G1指令都包含刀具中心點的X、Y、Z位置坐標以及刀具軸線的方向。由于這些控制點坐標及其對應的刀具方向坐標，只是由理論曲面計算得出，難以考慮機床的結構以及機床實際可能的運動狀況，因此，五軸加工程序可能造成機床旋轉軸或平移軸在某些加工位置頻繁加減速，導致機床產生嚴重的震動與進給速度不穩定，嚴重降低工件的表面質量。采用表面優化壓縮功能，則可使機床根據自身結構與性能優化加工軌跡，提高工件表面質量，而且由于機床各軸的速度和加速度得到優化控制，加工速度也會獲得大幅提升。

1.3 應用方式與優勢

五軸加工中心根據使用時聯動軸數量，分為兩種常用使用方式：3+2五軸定向加工與五軸聯動加工，聯動軸的數量深刻影響著切削時機床的剛度、總體精度以及刀具自由度。3+2五軸定向加工方式是指平動軸聯動旋轉軸鎖定的加工方式。這種方式通常用于斜平面的切削、斜孔鉆銑或者曲率變化較小的自由曲面加工等。其優勢在于可以使傾斜的幾何特征旋轉為水平或垂直的特征，極大地簡化了加工工藝，提高加工效率；并且伴隨旋轉軸的鎖定，機床本身得以保持更大的剛性，從而可以選擇更高效率的切削參數，也避免了旋轉軸聯動運動時，運動誤差的疊加。五軸聯動加工方式是指平動軸與旋轉軸聯動的加工方式。這種方式通常用復雜自由曲面的加工，尤其是回轉型曲面工件加工，其優勢在于實現了該類零件的一體化加工，加工過程可以實現一次裝夾，大大節約了加工時間，提高了加工的精度，保證回轉型零件的同軸性。

2 五軸加工中心在模具加工中的優勢應用點

2.1 模具側壁的加工

為了便于產品脫模，模具模腔側壁通常設計為具有一定斜度的平面。使用傳統的三軸加工中心加工通常有兩種辦法進行加工：一種采用球形或環形的刀具，將斜面與曲面等效處理，這種加工方式刀具與工件為點接觸，加工的效率非常低下；另一種采用定制斜度的錐形刀具，利用刀具側刃進行高帶寬切削，這種加工方式刀具只適用一個斜度的斜面加工，并且因為刀具長度較長、端部變細，導致刀具剛性較差，加工效果不一致。使用五軸聯動加工中心加工模具側壁，對于凸形模具側壁，可以通過改變刀具的軸向，使刀具的軸線與模具側壁相互垂直，利用盤形銑刀或直徑較大的平頭銑刀進行端銑，以獲得更好的加工質量。對于凹形模具側壁，則無需采用定制斜度的錐形刀具，可直接使用通用的圓柱形球頭或環形刀具，通過刀具軸向的傾斜實現側刃銑削，在大幅降低刀具成本的同時，也減少了刀具的更換提高效率。

2.2 模具曲面的加工

模具的曲面部分加工，是模具加工中最為耗費時間與成本的。使用三軸加工中心加工模具的曲面，主要是利用球頭銑刀的球形端部進行切削。球頭銑刀具有確定的球心以及半徑，使自由曲面的加工切削點計算簡化，刀具軌跡計算效率得以提升。在曲面曲率、曲面法向變化較大的曲面加工中，刀具切削的工作點產生大幅變化，但在一定的主軸轉速下，球頭銑刀其球頭上各個點由于其相對于旋轉軸的半徑不同，切削線速度相差甚遠，加工后的曲面表面質量一致性較差。如果加工的曲面存在法向量與刀具軸線平行的點，則采用球頭銑刀加工該點時切削速度為零。這意味著刀具在加工該點及該點附近的位置時，主要是依靠擠壓而非切削實現加工。這種加工狀態不僅會對機床和刀具產生較大的損傷，曲面的加工質量也無法滿足需求。使用五軸聯動加工中心加工模具曲面，對于凸形曲面可采用刀具圓柱面進行側刃加工，相比于端部切削，側刃切削方式可以增加刀具與工件的接觸帶寬，提高切削效率。對于凹形的曲面可采用環形刀具代替球形刀具進行加工。環形刀具與球形刀具都具有法向自適應性，但環形刀具的優勢在于環面軸向曲率半徑與刀具直徑不相關，加工小曲率半徑區域時，環形刀具的剛性更優。對于環形刀具的環面上各點，其旋轉半徑的變化較小，加工的表面質量一致性更優秀。通過刀具軸線的變換，可以避免環形刀具端部平面對曲面的過切，使環形刀具更適用于模具曲面的加工，提高加工質量。

2.3 模具曲面微細結構雕刻

為了產品的美觀與功能，越來越多產品的表面上會增加花紋、標志等，而在模具上進行微細結構的雕刻十分困難。使用三軸加工中心與錐形尖端雕刻刀，只能對模具水平平面或較為平緩的水平曲面進行微細結構雕刻。這種加工方式由于刀具尖端線速度非常低、刀具尖端脆弱易斷，加工效率低而且可加工的部位受限。使用五軸聯動加工中心加工模具曲面微細結構則可以配合單刃銑刀，甚至利用平頭銑刀的尖角部分，通過刀具軸線伴隨曲面法向改變的加工姿態與路徑，對模具任意曲面進行微細雕刻，并能使加工的微細結構服從曲面法向的變化，達到優秀的加工精度與質量。

3 結語

在模具的數控加工工序中，與傳統的三軸加工中心相比，五軸加工中心不僅能夠完成更高精度、更高質量的加工作業，而且能夠更合理利用刀具、延長刀具的使用壽命與減少使用的刀具類型。并且使用五軸加工中心能大幅簡化使用三軸加工中心難以完成的加工任務。五軸加工作為一種先進的加工方式，如何進行利用，以提升模具加工過程中的精度與效率，仍具有持續探討的價值。