五轴加工中心在模具加工中的应用研究

薛　明

五轴加工中心在模具加工中的应用研究

薛明

(东莞市技师学院，广东 东莞 523468)

随着人们生活水平的不断提高，生产企业为了满足消费对产品的需求，产品的设计和生产呈现出更新快、精度高、批量化、多样化等特点。模具加工在各类产品的批量生产中发挥着重要的作用，为了保证产品质量，必需要避免模具加工制造中出现的生产效率过低、产品精度不高等问题。随着设计和生产标准的提高，生产企业中应用的模具加工机床已由传统三轴加工中心普遍升级为五轴加工中心，因此充分发挥五轴加工中心的技术优势，研究其在模具加工中的应用，能够有效提高生产效率和精度，保障产品质量。

模具；五轴加工中心；三轴加工中心；刀具

五轴加工中心是数控五轴联动加工中心的简称，目前已被广泛应用在航空、航天、船舶、轻工、汽车以及医疗等精密仪器制造领域，常用于加工复杂曲面的工件，具有效率高、精度高等特点。采用传统模式进行模具加工时，在铣削加工过程中一般主要使用立式加工中心或三轴加工中心，随着我国模具制造加工技术的发展，立式加工中心以及三轴加工中心应用的缺陷愈发明显。使用立式加工中心或三轴加工中心进行模具加工时主要使用球头铣刀，虽然具有结构简单易懂、作业占地面积小、利于工件冷却等优势，但是也存在着光洁度差、底面线速为零、加工范围小等缺陷，而应用五轴加工中心能够完全克服上述缺陷。

1　五轴加工中心的功能和应用优势

五轴加工中心分为立式和卧式两种，一般情况下可确定为三个互相正交直线运动轴联合互相正交旋转轴的联动，在进给运动中，对工件坐标系中的刀具轴线方向可进行实时改变，通常应用在曲面结构比较复杂的模具加工中，可有效提升工件的表面质量和加工精度。五轴加工中心在工件的实际制造过程中，对于加工具有空间曲面结构的零件优势显著，在汽车领域零件制造、军事领域装备制造、航空航天设备制造、生物植入体制造中都得到了广泛的应用，特别是进行异形转子、叶轮、曲轴以及螺旋桨等零件一体化加工时，可充分发挥出五轴加工中心高效率、高精度的优势。

1.1　功能

1.1.1旋转刀具中心点功能

旋转刀具中心点功能也被称为RTCP功能，是刀具围绕中心点进行旋转的简称，此功能主要描述的就是五轴机床平移轴运动过程中加工刀具中心点的跟随。在具体的加工阶段刀具会与旋转轴运动产生联动插补，通过数控系统对控制点的自动修正，使刀具轴线依据中心点部分旋转，完成既定的运动轨迹。RTCP功能的原理是数控系统可依据五轴机床结构以及工件位置等参数计算出处于工件坐标系区间内的刀具中心各个旋转轴的摆长情况，并按照刀具具体摆长以及实际旋转情况，计算处于坐标下的平动补偿情况。随后将补偿值作为坐标进行旋转，以初始部分为工件坐标系，使刀具逐渐朝着机床坐标系进行旋转，通过此种方式获取机床坐标系运动过程中的平移轴平动补偿运动参数。这种技术在工业制造过程中也被称之为刀尖编程，编程时只需考虑刀具和工件之间的相对运动，与机床的运动无关，其主要优势在于只要应用了具备RTCP功能的数控系统，对五轴加工中心就可进行的独立刀尖编程，不需要考虑机床结构的差异，RTCP功能会针对偏差进行补偿修正，保证机床的加工效率和精度。

1.1.2表面优化压缩功能

机床在运行过程中数控系统可依据相关参数制定公差范围，提前读取相应数量的加工程序段，并实现相应程序段的相关直线指令多项式样条的拟合，使机床在具体运动过程中可完成从小步距直线插补向大步距插补的转化，实现对机床的不同轴速度以及加速度功能的优化控制。通常情况下，较为复杂的自由曲面五轴加工程序包括较多小步距插补指令，其中不同指令中都由刀具轴线方向和刀具中心点部分的X、Y、Z位置坐标组成，因为此类控制点坐标和相应刀具方向坐标都是通过理论曲面计算获得，没有考虑到机床实际运动状况及其结构，在加工过程中会受五轴加工程序的影响，机床的旋转轴或平移轴会出现频繁加速或减速，使得机床出现严重抖动和进给速度不稳的情况，影响工件表面的加工。充分应用五轴加工中心的表面优化压缩功能，可有效优化机床自身性能和加工轨迹，保证工件表面的加工质量，提升机床各轴的速度与加速度，提高加工效率。

1.2　应用优势

五轴加工中心按照应用时联动轴的数量可划分为五轴定向加工和五轴联动加工两种模式，机床切削时的精度、刚度和刀具自由度会受到联动轴数量的影响。五轴定向加工模式一般指平动轴联动旋转轴部分锁定构成的加工方式，经常应用在斜孔钻铣、斜平面切削和具有较小的曲率变化自由曲面加工中[1，2]。此种加工方式的优势是可将倾斜几何特征可转变成为垂直或者水平，不但可简化加工工艺，还能提升加工效率，在旋转轴锁定后依然能够使机床保持自身最大的刚性，只要保证切削参数选择的合理性，就可有效避免旋转轴具体联动运动过程中产生的叠加运动误差等问题。五轴联动加工模式主要是指加工过程平动轴和旋转轴的联动常应用于加工复杂自由曲面，在零件的一体化加工中凸显出极大的优势，适合加工回转型曲面工件，而且可在具体加工过程中完成一次性装夹，能大幅度缩短加工时间，在提升加工精度的同时，保证回转类型零件的同轴性特征。

2　五轴加工中心的具体应用

2.1　深腔模具加工

CAD绘图是目前进行零件设计的常用软件，结合CAD软件的应用可以完成表面复杂深腔模具的加工。在深腔模具的加工过程中，如果应用传统的三轴加工中心，要保证实际加工效果与图纸设计效果一致，则需要相应调整刀具以及刀柄的参数，才能确保加工精度。而采用五轴加工中心的方式，可以在数控机床的主轴头和工件中附加回转以及摆动等功能，在进行较陡以及较深型腔模具加工的同时，能够提升型腔加工的工艺水平。应用五轴加工中心进行深腔模具的加工，比应用三轴加工中心操作更为便捷，只需相应缩短型腔加工刀具的长度，就可防止加工过程中刀具、刀杆与型腔之间出现碰撞的情况，以此来保护刀具，延长刀具使用寿命。

2.2　模具侧壁的加工

使用三轴加工中心进行模具侧壁加工时，需要相应增刀具的长度，以保证其大于模具侧壁的深度。刀具长度的增加会在一定程度上影响其表面强度，当刀具长度超出三倍径时，极易出现让刀和损伤刀具的情况。即便在加工过程中三轴加工中心可准确进行走刀，加工零件的表面也会出现尺寸误差大、上厚下薄等问题。采用五轴中心联动加工方式进行模具侧壁的加工，可使控制主轴或工件在摆动过程处于垂直状态，这时通过应用平面铣刀来加工模具侧壁，在提升工件加工质量的同时，还能够保护刀具。

2.3　较平曲面的模具加工

采用三轴加工中心方式进行较平曲面模具的加工，需合理选择球刀参数和相应增加刀具的加工路径，因为在加工较平曲面的模具时，球头刀具的中心旋转线速度接近零，极其容易损伤刀具，影响加工模具的表面质量。应用五轴加工中心进行加工，可基于五轴加工中心对球刀以及工件表面角度进行调整，确保刀具线速度，防止上述问题的发生。

2.4　不规则曲面的模具加工

采用三轴加工中心方式进行不规则曲面模具的加工，需要保证刀具围绕固定的切削输入路径来完成切削模具表面的加工。当切削工件具有比较复杂的曲率时，刀具刀尖部分在加工过程中难以始终保持良好切削状态和角度，无法满足不规则曲面模具的高精度加工要求。应用五轴加工中心联动加工方式，可以确保刀具即使面对复杂曲率变化和较深的加工凹槽，刀尖都可以保持良好切削状态，能够自动选择最优路径来完成加工，还可运用画直线的加工方式，提升加工精准度。

2.5　不同几何形状的模具加工

采用五轴加工中心联动的方式加工不同几何形状的模具，可使刀具在切削过程中始终保持良好的切削状态，并且能使刀具按照加工表面曲率变化以及机床输入要求任意转换角度。在加工具体滑块的凹槽部分时，无需转换工序或再次装夹工件，只需将程序提前设置好，刀具即可在操作中自如切削和转换，从而提升加工效率，获得良好的加工质量[2]。

2.6　斜面具有斜孔的模具加工

三轴加工中心无法加工斜面具有斜孔的模具，而五轴加工中心可充分发挥摆头式机床的优势，通过确定要需加工工件的斜面，明确主轴位置以及加工口大小，确保有两个线性轴完成插补运动操作，对加工口位置完成精准定位后进行操作，以保证斜面加工口的准确性。在加工过程中，需调整模具的斜面，使其与加工主轴垂直，在进行斜孔的加工时，只需主轴这一个线性轴，即能够完成斜孔的加工成型，并且可确保斜孔精度。

2.7　无方向变化的直线模具铣削

当模具加工过程在存在无方向变化的直线时，采用刀尖画直线的方式，能够加工出一条不存在方向变化的直线。五轴加工中心的刀具可根据轴线进行切削加工，在加工过程需确保刀尖固定度，一旦刀尖如果在旋转中出现位移，即便是轻微变化，也会导致工件表面出现划痕或影响工件表面精度，因此在使用过程中需加以重视。除此之外，五轴加工中心具备五轴控制作用，在五轴同时加工时，虽然刀具围绕中心轴线开展作业，但在进行无方向变化的模具铣削时其刀尖依旧会在系统控制下保证固定不动，因此要求X、Y、Z三轴对其进行补偿，以确保工件表面的质量和精度。

3　结语

在模具加工中，采用五轴加工中心的方式可有效降低三轴加工中心作业过程中对刀具的影响，尤其是在复杂零件加工中，还能有效提升加工效率和加工质量，获得良好的加工效果。此外，五轴加工中心相较于三轴加工中心，刀具应用的合理性、高效性、精度都能得到有效提升，并且能够延长刀具使用寿命，减少刀具的应用类型和更换次数，简化加工流程，缩短模具生产周期，提高生产企业的经济效益。

[1] 张吉林.五轴加工中心在模具加工中的应用研究[J].中国设备工程,2018(1):159-160.

[2] 黎宇弘.五轴加工中心在模具加工中的优势应用点分析[J].中国设备工程,2018(16):103-104.

Research on the application of five-axis machining center in die machining

XUE Ming

(Dongguan Technician College, Dongguan, Guangdong 523468, China)

With the continuous improvement of people's living standards, in order to meet the demand of consumers for products, the design and production of products are characterized by rapid updating, high precision, batch, and diversification. Mold processing plays an important role in the mass production of various products. In order to ensure product quality, it is necessary to avoid the problems of low production efficiency and low product accuracy in mold processing and manufacturing. With the improvement of design and production standards, mold processing machine tools used in production enterprises have been generally upgraded from traditional three-axis machining centers to five-axis machining centers. Therefore, giving full play to the technical advantages of five-axis machining centers and studying their application in mold processing can effectively improve production efficiency and accuracy and ensure product quality.

die; five-axis machining center; three-axis machining center; cutter

TG659

A

2096–8736(2022)05–0033–03

薛明，男，四川巴中人，大学本科，讲师，高级技师，主要研究方向为机械设计、数控技术、智能制造、CAD/CAM及CAPP技术。

责任编辑：阳湘晖

英文编辑：唐琦军