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采用不同的刀具和方法優化五軸（zhóu）加工

2013-12-28 來（lái）源：數控機（jī）床市場網作者：-

　使用五軸加（jiā）工可以從幾個方麵提供諸多益處。通過分析設備、工藝和裝夾，尤其是切削刀（dāo）具和切削作用（yòng），就能從中而受益。

　　除了通過全五軸加工才（cái）能完成某些特征外，也可選擇性地簡化利用五軸的加工工（gōng）藝。其中包括使用三加二軸，或有時僅使用三軸，尤其是對於各（gè）種粗（cū）加工、半精加工和修銑工序。

　　盡管有些零件特征具有雙曲線輪廓，並且會同時沿著五軸運動，但使用正確的刀具再保持適當（dāng）的恒定吃刀量，就能高效地加工出幾乎任何曲度。

　　使用五軸加工的主要好處

　　顯（xiǎn）而易見是能夠高（gāo）效地獲得複雜的三維（雙麵）零件特（tè）征，不僅（jǐn）精度高，而（ér）且（qiě）表麵質量極佳。一般僅需一次裝夾和最少的切削工序，切削時間大為縮短，刀具懸伸始終（zhōng）保（bǎo）持（chí）盡可能地短。此外，往往也會提高（gāo）金屬去除率，並且刀具碰撞風險（xiǎn）可控。對五軸加工、聯動加工以及三加二軸（zhóu）加工而言，切削刀（dāo）具和工藝選擇是獲得成功結果的關鍵因素。與（yǔ）三加二軸加工相比（bǐ），聯動加工（gōng）時的工藝選擇更為重要，因為前者挑戰性較低，可以當作三軸工序（xù）看待。

圖1 (圖片編號 101108)

　　五軸CNC加工基於機床在五個（gè）軸上運動而生（shēng）成3D零件形狀（zhuàng）的能力。而且，真正的（de）五軸聯動加工指的是除了能夠（gòu）沿著旋轉（zhuǎn）軸定位刀具外，切削時（shí）刀具還能順著這些軸進給。其必然結果是使得機床一次裝夾就能形成（chéng）複雜的零件形狀。除三個基（jī）本軸（x、y和z）之（zhī）外（wài），還包括兩（liǎng）個附加軸（b和c，或者有時為（wéi）a和c，具體取決於機床配置），切削時繞著z軸和繞著y軸（或x和y）旋轉。當機床主軸或工作台以某一角度固定，並且在三軸模式下進行加工時，即為三加二軸加工。從機床的角度來看，有多（duō）種方法可（kě）以獲得（dé）五軸加工：五軸加工中心、傾斜工作台布置或通過（guò）主軸頭附件。

圖（tú）2 (圖片編號 081744)

　　采（cǎi）用CoroMill Plura（金剛銑）整體硬質（zhì）合金立銑刀五（wǔ）軸聯動加工葉輪

　　旋轉刀具產生（shēng）在零件表麵（miàn）上的紋路是主要的考慮因素。為此，切入角和刀具傾（qīng）斜角度通過CAD-CAM程（chéng）序實現，並且應在設計裝夾方式時予以考慮。不僅切削刃的主偏角，而且刀具吃刀量和後角大小都會產生影響，以至於避免背切現象，

　　切入角可根據刀具中心線和（hé）進給方向上刀具接觸點處（chù）垂直於工件表麵的垂線之間的夾角測得。在許多情況下，該值會保持恒（héng）定，且與所用刀具的推薦（jiàn）值相符，但如果CAM允許（xǔ），也可通過編程予（yǔ）以改變。利用固定的切入角，刀具即可在整個（gè）進給方向上相對於零件表麵以預定角度傾（qīng）斜。該切入角基於表麵上最小的內半徑和刀具的有效直徑。

　　刀具的傾角基於垂直於進給方向的平麵，因此比照切入角，可根據刀具中（zhōng）心線和切口處垂直於表麵的垂線（xiàn）測（cè）得。各點上恒（héng）定（dìng）的（de）切入角對（duì）於生（shēng）成曲麵和凹入的零件表麵（miàn）而言至關重要，盡（jìn）管點銑會耗費（fèi）更多的切削時間並可能縮短刀（dāo）具壽命，但它卻是獲得凹表麵和雙曲麵的安全（quán）方式。刀具在其圓角半徑處（chù）與工件始終保持接觸（接觸點的位置根據具體曲麵沿著刀具圓角半（bàn）徑變化），經過連續走刀即可生成3維表麵。采用立銑刀進行點（diǎn）銑適用（yòng）於粗（cū）加（jiā）工、半精加工以（yǐ）及（jí）精加工工序。

側（cè）銑

　　更為高效，與點銑相比，其切削時間更短，但在某些方麵更受限製。它（tā）最適合於半（bàn）精加工和精加工工序，但僅局限於單曲（qǔ）麵和凸表麵。顧（gù）名思義，側銑就是主要用刀具（jù）的側麵進行切削，並且刀具半（bàn）徑（如果含有）僅生成零件圓角半徑。由於采用更大的刀具/零件接觸麵積，對功率、扭矩、穩定性（xìng）、排屑和（hé）機器運行能力均有更高要求。

　　五軸加工時的刀具選擇部分取決（jué）於所（suǒ）應用的具體銑削（xuē）方式（點銑（xǐ）或側銑）。側銑要求刀具擁有足夠長（zhǎng）的徑向切削刃，例如整體硬質合金立銑刀或可換頭銑（xǐ）刀。這些銑刀可以為直型或圓錐形，並具有各種圓角半徑。有多種技術可用於側（cè）銑：擺線銑、切片銑或仿（fǎng）形銑削（xuē）。錐形球頭立銑刀與球頭立銑刀相（xiàng）比，穩定性更高，後者（zhě）要求（qiú）較小（xiǎo）的配合半徑。

　　擺線銑（xǐ）削（三軸粗加工技術（shù））時（shí），刀具以連續螺旋的刀具（jù）路徑進行切削，在受限空間中從徑向進給，具有很高的材料去除率。每次切削時刀具（jù）不斷向外運動，進而形成凹槽或（huò）輪廓。由於徑向切深較小，因此可以使（shǐ）用更大的切（qiē）削深（shēn）度並且產生相對較小的切削力。切片（三軸半粗加工/精（jīng）加工技術）與零件圓角加工類似（sì），通常需（xū）要高速動態剛性好（hǎo）的機床。此外，切削時會以小徑向切深進行多次（cì）走刀，這樣對於大圓角就能應用更大的軸向切深。仿形銑削可以是僅使用側麵的2D切削工藝，或者為刀具半徑（jìng）形成底麵的3D切削工藝。仿形（xíng）銑削也要求高速動態剛性好的機床和極高的穩定性。

　　對於點銑

　　存在許多（duō）刀具（jù）選擇，具體取決於零件特（tè）征和表麵質量要求（qiú）。一般來說，對於較大的開放曲麵，首選為圓刀片銑刀或球頭銑刀（dāo）。對於型腔，有著大刀具懸伸的錐（zhuī）形（xíng）球頭銑刀往（wǎng）往（wǎng）是最佳選擇，其中在需要刀具可達性時，模塊化刀具係統所提供的縮徑接杆可確保（bǎo）最大穩定性。

圖3 (圖片編號 091529)

圖4 (圖（tú）片編號 042559)

　　適合粗加（jiā）工的刀（dāo）具應用與機床（chuáng）能力和零件表麵要求（qiú）有關，較大的（de）有效刀具直徑或許能夠在三軸加（jiā）工時應（yīng）用。半精加工（gōng）時，刀具路徑策略應效仿精加工策略，通常在五軸加工（有時使用三軸）時能最高效地獲得最佳加工結果。其目標應是為精加工工序留出均（jun1）勻的加工餘（yú）量。

　　對於精（jīng）加工，刀具選擇取（qǔ）決於所需要的（de）表麵質量和精度水平，其中（zhōng）通過使用不同（tóng）類（lèi）型的刀具（具體與零件特征和光潔度有關），即可對聯（lián）動五軸加工進行優化。圓刀片銑刀使用（yòng）得更為普遍，球頭（tóu）銑刀適用於在成形和可達性方麵要求更為苛刻（kè）的切削（xuē），例如封閉凹窩。

　一係列不同的銑削刀具

　　適合於聯動和三軸加工工序，具體取決於粗（cū）加工和（hé）精（jīng）加工所介入的程度。例如，大直徑的圓刀片銑刀適合較淺的（de）大表（biǎo）麵，它采用相對較大的徑向吃刀。使用具有大圓（yuán）角半徑或圓頭的圓刀片刀具或立銑刀進行（háng）銑削時，最好應用適當的（de）切入角和傾角，以確保獲得最高的性能和加工結果。可（kě）導致（zhì）高進給（gěi）能力的薄屑效（xiào）應是需要考慮到的生產率因素。

圖5 (圖片編號 090210)

圖6 (圖片編號 091273)

　　球頭刀具非常適合於五軸點銑，但可達性和軸自由移動受到限製（三加二軸），例如受限於零件（jiàn）特征或夾具。這些刀具一般為整體硬質合金立銑刀或可換頭銑刀，加工時間短，在高切削速度下具有極高效（xiào）率。當然，它（tā）們也很（hěn）適合任（rèn）意三加二軸加工工序。

　　五軸加工時的表麵（miàn）質量

　　在一定程度上（shàng）是步距問題，與刀具直徑有關。在具體應用中是一項（xiàng）重要（yào）因素，因為它會影響到加工時間和表麵質量。與用於常規（guī）仿形銑削的球頭（tóu）刀具相比，采（cǎi）用（yòng）圓刀片銑刀可顯著縮短切削時間。對圓刀片（piàn）銑刀而（ér）言，步距與直徑之間的關係最大為1比2，步（bù）距較大時，雖然（rán）可縮短加工時間，但會留下更（gèng）高的表麵粗糙度。就此而論（lùn），球頭刀具不會提供同樣的生產效率，並且加工條件（jiàn）也較差。刀具將根據每齒進給量和切削寬度形成具有一定有高點的表麵，而切削深度會影（yǐng）響到切削力，並對刀（dāo）具穩定性要求很高。要獲得平滑（huá）且均勻（yún）的表麵質量（liàng），應對刀具傾斜、進給值（zhí）、切削方向和刀具夾持情況進行優化，以使（shǐ）其達到最佳平衡。

圖7 (圖片編號 082227)

　　總而言之，每種加工方法和（hé）刀具類型都有其特定優勢，正確選擇刀具（jù）並對其（qí）進行應用優化能夠提供更多的加工可（kě）能性，並且有機會降低五軸加工的成本。此外，采用優秀的模擬軟件也能（néng）夠顯著降（jiàng）低出錯機（jī）會，並避免（miǎn）將（jiāng）寶貴的生產時間浪費在機床上測試新程序方麵。

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