5軸加工的優勢及巧妙使用方法是什么?

發布日期: 2023-09-12

1、3軸加工中心與5軸加工中心的區別

我來介紹一下當今切削加工技術中堪稱最新的“5軸加工”。想必設計、制造機械零件的人都會聽到過這個詞。5軸加工意思是利用支持5軸加工的加工中心實施的切削加工。這樣的加工中心也通稱為“5軸加工機”或“5軸加工中心”。
通常的加工中心只能在X、Y、Z這三個軸上運動,因此也稱為“3軸加工中心”。相對于此,5軸加工具有如下優點:節省 3軸加工中心花費時間實施的更換工序,能夠縮短工序,能夠實施3軸加工中心無法完成的加工。
3軸加工中心與5軸加工中心究竟哪里如何不同呢?首先讓我們從結構上看一下。
圖1-1是3軸加工中心和5軸加工中心的內部區域的外觀。3軸加工中心如此前介紹的那樣,由固定工件的工作臺和主軸構成。
機械加工中,3軸加工中心和5軸加工中心的外觀比較主軸相對于工作臺能夠在左右方向(X軸)、前后方向(Y軸)、上下方向(Z軸)這三個軸向上移動。立銑刀安裝在主軸上,在旋轉的同時,沿三個軸向自由移動,切削工件。如前所述,由此能夠實現包括 3D 加工在內的各種形狀。
5軸加工中心是在X、Y、Z三個軸的基礎上增加了兩個旋轉軸的機構。圖 1-1 是典型的搖籃式5軸加工中心的結構。工作臺可在兩個軸的旋轉方向上自由傾斜:繞X軸旋轉方向(A軸)和繞Z軸旋轉方向(C軸)。由于繞A軸旋轉的機構像搖籃一樣運動,所以名稱為搖籃。

此外,還有在主軸側附加單軸旋轉功能或在主軸附加2軸旋轉功能的情況(所謂的5面加工中心)。5軸加工中心有了這樣的機構,究竟能做什么呢?我們來看一下具體動作的示意圖吧。參見圖1-2。
機械加工中,5軸加工中心的動作示意圖

首先,如(1)所示,如果將工件直接放置在工作臺上進行加工,則上表面與主軸正對。正好是能夠切削涂紅的表面的范圍。如果在該狀態下將 A 軸傾斜 90 度,則成為(2)的狀態。在(1)的狀態下無法切削的面與主軸正對而能夠切削。
進而,如果將 C 軸傾斜 90 度,則成為(3)的狀態,能夠加工下一個表面。如果在該狀態下繼續旋轉 C 軸,則可以連續不斷地加工其他面。也就是說,只要安裝上工件,就能在該狀態下對除了底面之外的所有面進行加工。由此能夠省略更換工序,有望因縮短工序而縮短加工時間,提高加工精度。
當然,5軸加工中心可以旋轉的不僅是圖1-2那樣的90度。A軸和C軸均能設置為任意的角度,A軸和C軸能夠單獨旋轉。此外,A 軸、C 軸和 X、Y、Z 五個軸可以同時動態運動。
通常的5軸加工中心的使用方法是將A軸和C軸傾斜一定角度進行加工→傾斜到下一個角度進行加工,移動主軸時會事先停止旋轉軸。這種加工方法稱為“固定5軸加工”或“分度5 軸加工”。
相對于此,同時移動包括旋轉軸在內的所有軸的加工方法稱為“5軸聯動加工”。所謂葉輪等就是只能進行5軸聯動加工的形狀。
此外,5軸加工中心還有C軸高速旋轉、具備能夠像車床那樣進行車削加工的功能的機型。

機械加工中,5軸加工中心的特征

 

 

2、實際感受一下軸加工的效果吧!

為了讓大家感受到5軸加工的威力,讓我們以樣品零件為例,模擬體驗一下5軸加工。要通過5軸加工來制作圖 2-1、2-2那樣的塊件會怎樣?讓我們一起體驗一下。
機械加工中,5軸加工需要塊件概要
機械加工中,5軸加工需要塊件概要

3軸加工中心的加工簡單來說如下所述。

1.??? [面1]的加工工序準備

2.??? [面1]的加工 (切口、螺紋孔)

3.??? [面2]的加工工序準備

4.??? [面2]的加工 (螺紋孔、銷孔)

5.??? [面3]的加工工序準備

6.??? [面3]的加工 (凹槽)

 

在加工各個面之前,一定要進行工序準備工作。該工序準備工作包括工件找平行、原點設置等需要技術既能的謹慎工作。工序準備工作越多,加工時間也越長,越會因工作誤差而導致尺寸精度變差。
另一方面,5 軸加工中心的加工怎么樣呢?請再看一下圖 2-1塊件圖紙。

機械加工中,5 軸加工中心的加工塊件圖紙

首先在5軸加工中心的工作臺上安裝機用虎鉗。5軸加工中心的情況下,多會使用像這樣抬高加固的虎鉗固定工件。理由是在傾斜C軸時,避免工作臺與主軸相互干擾。
對機用虎鉗找平行和定原點,固定工件。然后設置工件的原點,安裝刀具,創建加工數據。至此工序準備工作完成。
接下來進入加工。加工[面1]后,旋轉A軸,加工面2,然后旋轉C軸,加工面3,完成。在此期間,無需將工件取下,更換工序。能夠一口氣連續加工。

工序如下

1.??? 加工工序準備

2.??? 加工面 1

3.??? 旋轉A軸→加工[面2]

4.??? 旋轉C軸→加工[ 面3]

如此,利用5軸加工中心進行的加工能夠省略加工工序準備。
機械加工中,利用5軸加工中心進行的加工能夠省略加工工序準備

 

 

3、 5軸加工的優點是什么?

5軸加工的優勢并非只是能夠省略更換工序,還能夠細微地控制斜度,因此具有能夠從各種角度靠近工件 的優點。下面介紹幾個5軸加工的優點。

3-1、5軸加工能夠減少多面加工的工時和成本

5軸加工并非僅是能夠簡單地省略工序準備來加工6面體。5軸加工還能夠加工必須從各種角度進行加工的復雜形狀,這一功能發揮著巨大的威力。沒有5軸加工,就需要針對每個斜度制作專用的夾具等,耗時費力,無法實現。
5軸加工能夠自由地控制角度、朝向,因此無需專用夾具等。由此,可能能夠答復減少初期產品的制作工時和成本。例如,讓我們思考一下3-1那樣的塊件的加工。有相對于傾斜面垂直開設的凹槽形狀。
機械加工中,傾斜塊件要使用通常的3軸加工中心加工這樣的傾斜面,就需要使傾斜面與主軸正對,因此需要耗費功夫。
要使用通常的3軸加工中心加工這樣的傾斜面,就需要使傾斜面與主軸正對,因此需要耗費功夫??梢钥紤]一是使用帶傾斜功能的虎鉗等工具的方法,另一個是制作專用夾具的方法。帶傾斜功能的虎鉗例如可以使用圖3-2所示的虎鉗。在3軸加工機上,要使用這樣的虎鉗固定工件,調整為想加工的角度。但耗時費力,而且只是進行模仿性的工作,因此加工精度也較差。
機械加工中,在3軸加工機上,要使用這樣的虎鉗固定工件,調整為想加工的角度。但耗時費力,而且只是進行模仿性的工作,因此加工精度也較差。
專用夾具例如如圖3-3所示。制作這樣的夾具,將其夾在工件下,由此在3軸加工中心中也能改變工件的斜度進行固定。
機械加工中,專用夾具例如如圖所示。制作這樣的夾具,將其夾在工件下,由此在3軸加工中心中也能改變工件的斜度進行固定。
例如如圖3-4所示進行固定。這樣便能夠使用3軸加工中心加工傾斜面的凹槽。當然,在該情況下,另一個傾斜面的凹槽也需要單獨的專用夾具。

可以想象這需要多少工時人力。
機械加工中,例如如圖所示進行固定。這樣便能夠使用3軸加工中心加工傾斜面的凹槽。
只要是5軸加工中心,就無需這么費事。將工件固定于工作臺,使A軸和C軸在設備上旋轉,立刻就能加工。

3-2、5軸加工使斜向對刀

5軸加工中,雖然沒有被特別宣傳,但其能夠在工件為傾斜的狀態下使刀具抵接工件,這具有如下優點。其一是能夠根據情況縮短刀具的突出量。其二是球頭銑刀頂端以外的部分也能切削工件。
突出量時從刀具頂端到刀架端面之間的距離。以前曾經講過,刀具的直徑(D)與突出量(L)之間的關系應該滿足L/D ≤ 5。當突出量過長時,刀具的振擺增大,加工精度變差,切削后的表面粗糙,精加工效果不佳。
讓我們思路一下例如加工圖3-5那樣的零件(L型塊件)的情況。
機械加工中,5軸加工使斜向對刀,如加工圖那樣的零件(L型塊件)的情況。
該L型塊件的至內側為止的深度為120mm,其內角倒角為R5。要想使用3軸加工中心加工它,則如圖3-6(1)所示。
機械加工中,使用3軸加工中心和5軸加工中心,對L型塊件的加工方法比較
內角倒角為R5,因此所使用的立銑刀為φ10的球頭銑刀。而且為了避免立壁與刀架相干擾,必須加長球頭銑刀的突出量。突出量最少需要為120mm。
在這種情況下,突出量 (L) 120 mm ÷ 刀具直徑 (D) 10 mm = 12.0。這意味著與本應為 L / D ≤ 5 的情況相比,突出量太大了。如果直接進行切削,表面可能會整體變得粗糙,在某些情況下,刀片可能會在加工過程中斷裂并損壞工件。
使用5軸加工中心進行加工時,可以將工件傾斜到方便的角度,因此不必擔心刀架出現圖 3-6 (2) 所示的干擾情況,并且可以減少突出量。
由此能夠制作 3 軸加工無法加工的形狀。通過減少突出量,還能夠精加工出漂亮的表面。

此外,球頭銑刀的頂端的轉速為零。換句話說,在旋轉中心附近幾乎沒有切削力。這是因為其被強行壓在工件上進行切削。如果利用5軸加工,使工件傾斜,將立銑刀抵住工件,則該轉速為零的部分不會與工件接觸。
換句話說,由于工件被有切削力的部分切削,因此還有能夠精加工出漂亮的表面的優點。

 

4、5軸聯動加工能做什么?

5軸加工中心的真正價值在于它可以實施使X、Y、Z三個軸和A、C兩個旋轉軸同步、同時邊控制邊使之運動的“5軸聯動加工”。
這要求加工機和CAM必須支持5軸聯動加工,且加工數據的創建也極其困難。工作臺和主軸都是動態移動的,所以如果設置中稍有疏忽,主軸和工作臺就會立即發生碰撞。
它需要固定 5 軸加工所不具備的先進技術。我想日本也很少有能夠熟練使用同時5 軸加工的加工企業。本文無法展現其運動,但請在互聯網上觀看“5軸聯動加工”的視頻等。
5 軸聯動加工能夠制作以“葉輪”為代表的滿是凹切的復雜形狀。圖 4-1 所示的零件就是其典型示例。
機械加工中,5軸加工的零件例
在固定5軸加工中,需要使工作臺以某個斜度停住進行加工,然后使工作臺以下一個斜度停住進行加工,如此逐個固定工作臺的斜度。雖然像葉輪那樣的復雜形狀也可以通過多次改變斜度來加工,但可以想象這將需要花費多大的人力。
相對于此,在 5 軸聯動加工中,能夠使工作臺與主軸運動同步,同時使工作臺連續傾斜進行加工。只要有立銑刀進入的間隙,就可以巧妙地避開工件,在不停止工作臺的情況下進行連續加工。
請記住,5 軸聯動加工在加工如此復雜的形狀時最有效。

 

5、5軸加工的注意事項

5軸加工雖然萬能,但因其機構特點仍有一些需要注意的事項。

5-1、不適合粗加工和重切削

如您所見,與普通的 3 軸加工中心相比,5 軸加工中心追加了 2 軸旋轉用的機構。換句話說,設備的結構變得復雜,一般而言,它的剛度比3軸加工中心差。尤其是使用5軸加工中心那樣的形狀復雜的零件例如飛機零件等,為了減輕重量,往往采用薄壁結構,90%以上的材料都變成了刨花的零件也經??吹?。
切削加工的基礎是 (1) 切削體積的粗加工、(2) 精高精度加工表面的精加工。 ①粗加工時,使用盡可能大的刀具以較大的進給量進行切削。這種加工在切削時的阻力較大,也被稱為“重切削”。
但是,5軸加工中心在結構上“奢華”,不適合重切削。
例如,如果要使用 5軸加工中心對阻力大的不銹鋼進行重切削,則加工中心本身可能會振動并對工件產生不利影響。當然也必須注意加工要輕柔,用小刀具減少阻力。

在粗加工中,雖然不介意精度希望盡快完成時,但由于加工中心的振動令人擔心,最終還是慢慢加工。

換句話說,在許多情況下區分使用3軸加工中心和5軸加工中心至關重要,即粗加工時使用 3 軸加工中心進行重切削,然后將工件轉移到5 軸加工中心上,進行精加工或者切削只能利用5 軸加工才能完成的部分。加工現場最好能適當區分使用3軸加工中心和5軸加工中心,但是如果現場只有5軸加工中心,則可能不得不使用5軸加工中心來從事其本來不擅長的重切削。

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5-2、加工精度未必高

前文中說明了5 軸加工中心能夠省略更換工序,因此容易提高加工精度。但是要說5 軸加工中心的加工的精度就一定高嗎?其實也不盡然。
5 軸加工中心的工作臺是旋轉的,因此有時在進行最初的工序準備時,誤差會增大。例如,如圖5-1所示,要加工同軸的沉孔至關重要的塊件。在通孔的兩端,施加沉孔加工。在該零件的功能上,該沉孔加工的同軸度至關重要。
機械加工中,要加工同軸的沉孔至關重要的塊件,用5軸加工中心加工沉孔部分。
我們來使用5 軸加工中心如圖5-2所示加工沉孔部分。
此處假設在如(1)所示固定工件時,工作臺的旋轉中心與工件的加工原點偏離。設偏離量為D。
假設在加工了單側的沉孔后,使工作臺繞C軸旋轉180 度,加工相反側的沉孔,則會在偏離量為 2 倍(即 2D)為位置進行加工。如果沒有注意到這一點而進行加工,則本來同軸度很重要,但最后加工出的同軸度卻存在巨大偏差。
必須始終注意像這樣因旋轉工作臺導致誤差增大的可能性。
機械加工中,必須始終注意像這樣因旋轉工作臺導致誤差增大的可能性。如圖所示的加工偏差

5-3、工件尺寸受限

5 軸加工中心與3 軸加工中心相比,增加了2軸,結構相應地復雜些。即使是相同尺寸的加工中心,5 軸加工中心的工作臺的大小也往往更受限。也就是說,5 軸加工能夠處理的工件的大小比3 軸加工中心受限。
從設備的大小角度看,可能會感覺只能處理小件產品。擁有能處理較大工件的加工中心的加工企業也很有限。
要記住,5軸加工中心的工件尺寸往往受到限制。

5-4、加工單價高

事實上5 軸加工中心比3 軸加工中心采購費用高。而且還要引進制作支持5 軸加工的數控數據的應用程序(CAM)等,針對5 軸加工進行定制設置。
所以要記住5軸加工中心的加工單價也相應較高。

5-5、一個面需要其他工序的加工

5軸加工并非能夠加工全部6個面。固定時成為底面的面無法加工。因此基本上在進行5軸加工前,都需要通過其他工序加工底面。
而且很多情況下還必須研究如何在5軸加工機上固定工件。除了此次介紹的機用虎鉗外,還有需要專用夾具的情況等。由于加工精度會因固定精度而產生巨大變動,因此進行5軸加工前的預先準備至關重要。

 

6、什么是與5軸加工之間的絕佳距離感?

此次介紹了目前切削加工的最新技術即5軸加工。5軸加工的優缺點總結如下。

優點

缺點

?? ?可以省略工序準備次數,通過縮短工序,有望降低成本和提高加工精度。

? ??可以縮短刀具的突出量,并且旋轉中心以外的部分也能切削,因此能夠精加工出漂亮的表面。

? ?可以實現只能通過縮短刀具突出量才能完成的形狀。

? ?可以實現葉輪等只能利用5軸聯動加工才能切削的產品。

? 結構上不適合重切削(在某些情況下,可能需要與 3 軸加工機結合使用)。

? 可處理的工件尺寸相對于加工機尺寸較小。

? 加工精度并不總是很好

? 加工費更高

? 總有一面無法加工,必須在其他工序中進行加工。

我認為可以在設計時考慮5軸加工,但最好是在充分考慮了這些優點和缺點的基礎上反應到設計中。5軸加工中心既不是能夠僅憑自己一臺就高效完成所有工序的萬能加工中心,也不是3軸加工中心的完全上位的兼容機器。
希望大家理解5軸加工中心存在一些其特有的問題,請適當的距離感巧妙地使用它。

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