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模具制造的5軸加工

2021-03-02 00:53:01 編輯:旺振興 來源:本站原創
模具制造業主要以制造鍛模、拉伸模、注射模和金屬壓鑄模為主。因此為汽車、飛機、家電、日用品、電子行業等工業零部件制造設備提供強有力的支撐。

模具作為工業之母,在從產品概念到零部件批量生產的整個生產過程中起著關鍵作用。這個行業的產品特點是幾何形狀復雜。許多模具有很深的空腔和陡峭的側壁。模具的型芯和型腔多為自由曲面,以單件生產為主,開發周期短。因此,需要采用靈活高效的加工技術。然而,復雜幾何工件的加工和所需的工藝靈活性直接指向5軸加工。



5軸加工的優點是可以實現全部5個軸的同時運動,這是業界從90年代就已經知道的。它不僅可以實現自由曲面、圓柱面和球面的銑削,還可以實現工件五個面的加工,重點是可以加工出較大的排距、較短的銑刀、幾乎任何幾何形狀、明顯穩定的工藝控制。另外,工件在定位基面上加工后,所有加工都可以通過一次裝夾實現,避免了多次裝夾變化帶來的精度和時間問題。

五軸聯動加工

五軸聯動加工是通過在現有的3個笛卡爾直坐標軸上集成兩個附加的擺動旋轉軸來實現的(圖1),這樣銑刀就可以相對于零件的自由面進行5個自由度的五軸聯動加工。對于一些較深或難以接近的空腔自由表面(圖2),可以采用相對較短的銑刀進行5軸加工(圖3),這增強了銑刀的剛度,提高了銑刀的加工穩定性。

圖2。五軸銑削為制造具有復雜幾何形狀的金屬鑄造模具和塑料注射模具創造了競爭優勢(賽思科公司/邁斯納模具公司)

5軸加工結合刀具的幾何角度也有利于難切削材料的加工。銑刀的自由幾何定位使銑刀與工件的接觸保持在最佳狀態,即銑刀的切削刃可以最佳地接近工件的輪廓,這可以使刀具達到更大的銑削行距,從而縮短加工時間。

圖3。短柄或錐柄銑刀可用于通過銑刀的連續擺動實現穩定可靠的銑削過程。

與三軸銑削相比,五軸銑削在技術、幾何和經濟上具有一系列優勢。它幾乎可以加工任何復雜幾何形狀的模具,五軸加工的魅力在于它可以在工件一次裝夾的情況下幾乎完成加工,從而提高模具的加工精度和工件的表面質量,縮短加工時間(無需運輸和更換工件夾具)。圖4。三軸銑削與五軸銑削的比較

純三軸機床在加工復雜幾何形狀的模具時存在一些困難。例如,加工模具的小槽角半徑時,銑刀的刀尖半徑不允許大于模具的該槽角半徑。然而,在加工深腔時,往往需要使用細長的銑刀,這將導致加工不穩定和表面質量差。

表1 .五軸聯動銑削與三軸銑削的優缺點比較

再比如3軸加工遇到脫模斜度小的情況,往往很難進行銑削。即使加工大傾角的斜面,也只能用小很多倍的切割線間距進行切割。五軸加工時,銑刀可以相對于該表面以所需的角度一次切削掉表面上的材料。與3軸銑削相比,5軸銑削有優點也有缺點(見圖4和表1)。加工非自由曲面時,采用3軸2軸加工更有優勢。

3雙軸定位加工

3 2軸組合加工,通過擺動轉軸將刀具固定在一個傾斜的位置,實現各部分的加工,即實現3 2軸的定位加工。3-2軸雖然不能加工自由曲面,但可以加工5面復雜零件。在大多數情況下,不需要更換兩次甚至三次夾具,因此不需要浪費時間進行多次夾緊。因此,不僅提高了生產效率和加工精度,而且提高了機床的加工靈活性。顯然,使用這樣的5軸機床(3個2軸)更經濟,因為購買一個新的5軸聯動加工中心的成本遠遠高于購買一個裝有兩軸轉臺的立式3軸加工中心的成本。此外,3個2軸的組合還有一些其他優勢(表2)。

表2 .3相對于5軸聯動的2軸加工

舉個例子:對于純5軸機床,4、5軸大部分設置在工作臺上,往往會產生邊緣干涉。這需要更高的工件夾具或更長的刀具,但機床的穩定性會下降,從而導致振動,最終降低機床的加工精度和效率。如果將工件夾緊在附加工作臺上,邊緣的干涉會明顯減小。因此,可以使用不容易產生振動的短工具。

3個2軸解決方案的其他優勢體現在運動部件的質量上。五軸機床必須對整個機床工作臺和工件進行加速和制動。對于一個或兩個附加軸,只有帶工件的轉軸才能運動,可以明顯減小質量,從而降低功耗。

近年來,五軸加工中心的發展趨勢強勁。渦輪葉片、葉輪、成型模具或其他自由曲面零件都需要5軸加工中心。然而,有許多不同的加工任務,5軸聯動加工對于許多應用來說是不必要和不經濟的,因為在5軸加工中心進行的所有加工中90%是純5面加工。帶有第四軸和(如有必要)第五軸的三軸立式加工中心是一種高生產率的解決方案。也就是說,采用裝有擺動軸和旋轉軸的立式加工中心,往往是一種經濟、緊湊、靈活的加工方案。能滿足采購成本、可達性、工作區域、能耗等要求。圖5。帶回轉工作臺的三軸銑床成為功能強大的五軸加工中心(萊曼公司)。

在實際生產中,在三軸銑床上安裝兩軸轉臺就變成了五軸加工中心(圖5)。與純5軸機床相比,該機床更容易實現工件的多面加工。如果采用更大規格的工作臺,可以加工多個工件,生產率更高。

五軸銑削是一個要求非常高的過程,銑削的最終結果取決于機床、刀具、編程和控制系統之間的最佳合作。

五軸機床

根據擺動軸和旋轉軸的不同配置,可以形成各種類型的五軸加工機床??梢允橇⑹?、臥式、柱式移動(工作空間大),也可以是龍門式(適合加工大件)。常見的五軸機床是擺動和擺動工作臺,擺動軸的支架上經常設置一個擺動工作臺(也可以設置多個擺動工作臺來實現多軸加工,圖6)。該機床適用于加工中小型工件,擺動工作臺由兩側(圖6)和一側(圖7)支撐。

圖6。馬加斯公司的主軸加工中心

目前,隨著直線電機和力矩電機的廣泛應用,直接驅動的五軸機床數量越來越多,這不僅使機床具有高加速度,而且提高了機床的工作精度。使用五軸高速銑床加工零件可以在短時間內實現高加工精度和表面質量。

圖7。GROB公司五軸加工中心

加工形狀復雜的模具時,首次調試新的數控程序時,要特別注意刀具與工件的碰撞。因此,GF  archi夏米爾公司開發的Mikron  HPM  600U、HPM800U高效銑床,配備了機床主軸保護HPM。使用該系統可以避免主軸損壞,提高機床幾何精度,減少停機時間。

五軸高速加工中心的共同特點是采用龍門框架結構來增強機床的剛性,而機床床身采用聚合物混凝土。由于這種材料具有良好的阻尼性能和低熱導率,而機床的熱穩定性是保證高加工精度的一個非常重要的條件,所以一些高精度加工中心通過監測所有介質和部件(如軸傳動裝置)的冷卻過程來控制機床的內部溫度,以保證加工中心極高的穩定性。

五軸高速加工中心價格比三軸加工中心高很多。根據德馬吉森Seiki  DMC75V系列五軸加工中心與三軸加工中心的價格比較,五軸加工中心的價格比三軸加工中心高50%左右。雖然5軸高速加工中心價格高,但這種高檔機床特別適合加工復雜幾何形狀的模具。在加工深而陡的型腔時,五軸加工中心可以通過工件或主軸頭的額外旋轉和擺動,為端銑刀創造最佳的加工條件,避免刀具與刀架和型腔壁的碰撞,從而降低刀具加工時的抖動和刀具破損風險,有利于提高模具的表面質量、加工效率和刀具壽命。據德國專門生產汽車發動機箱體零件和燃油容器的模具廠家介紹,邁斯納的28臺銑床中,有14臺用于5軸聯動加工,使用經驗豐富。由于五軸銑削的諸多優點,在銑削砂型鑄造成型模具時,公司使用的五軸銑削的成本大約是以前使用的三軸銑削的一半。

數控編程與數控系統

目前,數控編程基本上是通過CAD/CAM系統實現的。事實上,如果使用合適的編程系統,可以顯著減少編程工作,編程可靠。五軸銑削編程沒有三軸銑削編程那么費力和復雜。一般帶有CAD/CAM系統的3軸、3軸、2軸、5軸的銑刀軌跡隨著所選機床的運動一起可見,即CAM系統可以用來驗證生成的刀具軌跡的精度,檢查刀具、工件、刀架與機床主軸之間可能發生的碰撞,驗證加工代碼的正確性。

數控系統是高速五軸加工中心的重要組成部分,在很大程度上決定了機床的速度、精度和表面質量。因此,數控系統的性能對高速加工模具自由曲面的機床具有重要意義。

在加工高精度自由曲面時,由微線段直線和圓弧組成的刀具軌跡會引起龐大的零件程序,這些數據流需要由機床控制系統進行存儲和處理。因此,程序段的處理時間是決定數控系統工作效率的重要指標。目前,高檔數控系統的加工時間一般可以達到0.5毫秒(如Heidenham的iTNC530數控系統),而有些數控系統的加工時間已經縮短到0.2毫秒-0.4毫秒或更短。

應用于模具高速加工的現代數控系統,不僅要有保證高速進給速度所必需的短程序處理時間,還要有Nurbs和樣條插值功能,并能以納米分辨率工作,從而在高速加工條件下獲得較高的加工精度和表面質量。

目前,高檔數控系統也可以與不同廠家的CAD/CAM系統連接,數據通過以太網從CAD/CAM系統高速傳輸到控制系統。將計算機輔助設計/計算機輔助制造集成到控制系統中,可以在很大程度上實現復雜模具輪廓加工的良好效果,為縮短調整時間和編程時間做出非常重要的貢獻。

刀具和刀架

在模具加工中,主要使用細晶硬質合金刀具(球頭銑刀和刀尖圓弧半徑的端銑刀),大多具有硬質涂層和特殊的刃形角。刀柄的最大直徑為16-20毫米。由于刀具通常難以接近工件的輪廓,應采用細長結構的卡盤??紤]到高速銑削中細長的結構、較高的回轉精度和相應的平衡質量,適合模具加工的刀架主要有兩種:熱脹冷縮卡盤(利用刀架材料受熱膨脹、冷卻收縮的特點實現對刀和換刀)和應力鎖緊卡盤(如三角形應力鎖緊卡盤和液壓膨脹卡盤,依靠卡盤的機械變形實現對刀)。銑削模具零件時,由于材料切削量不大,徑向切削力小,選擇這種類型比較合適。標簽

五軸高速加工中心的發展及其工作性能的不斷提高是模具制造業高效、準確加工模具的重要前提,也是加工復雜模具的關鍵設備。使用直接驅動的五軸加工中心可以顯著提高加工中心的移動速度、動態性能和定位精度。5軸加工為零件的完整加工創造了條件,從而減少了準備時間、工件處理、測量和工藝流程時間。對于制造模具來說,五軸聯動銑削已經成為模具加工的關鍵工序。特別是5軸高速硬銑可以大大簡化模具制造的整個生產過程,提高模具的加工質量,縮短模具制造時間,降低生產成本,從而大大提高模具制造企業的競爭力。
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