五轴加工提供了更高的生产率和几何灵活性,但额外的运动轴可能会影响刚度和精度。

五轴加工在传统的三轴直线运动(X、Y 和 Z)的基础上增加了旋转运动。这些机器可以包含一个处理 X 轴旋转的 A 轴、一个对 Y 轴执行相同操作的 B 轴或一个围绕 Z 轴旋转的 C 轴。有些采用旋转、倾斜工作台,可提供机械和热稳定性,同时改善切屑清除通道。其他人则使用旋转主轴头来容纳更大的托盘装载零件。

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五轴加工的应用

五轴机器可以作为五轴定位或五轴轮廓机操作。

在定位机中,选择的两个旋转轴只能分度,不能与三个直线轴同时移动。这将加工限制为三轴特征。然而,增加的定位灵活性可以在单个设置中加工工件的多个侧面,同时还可以改善主轴接近工件的底切和难以到达的几何形状。

五轴仿形机可以在线性位置移动的同时改变轴方向。使用这种机器的零件的几何形状分为两大类:规则表面和任意表面。直纹表面是在表面上的任何给定点,用户可以将一条线从表面的一个边缘延伸到另一边缘的那些表面。这些表面适用于点铣(使用球头、公头或锥形球头立铣刀的尖端)以及侧铣(使用锥形或圆柱形立铣刀的侧面)。相比之下,任意曲面仅适用于点铣。许多零件都包含直纹面和任意面。

五轴加工技术的好处

允许用户在一次设置中访问零件的五个侧面,可以实现更严格的公差。具有 3D 轮廓表面的零件(例如模具型腔和电极)往往是五轴加工的理想选择。例如,进入深腔的灵活性使车间能够在这些操作中使用长度和纵横比减小的工具组件。

在加工难加工材料时,改进的刀具方向控制还有助于解决刀具破损和颤振问题。例如,球磨机的表面速度取决于工具和表面之间的接触角。在三轴设备上,这个角度随着加工的进行而变化。当球磨机底部接触零件时,表面速度变为非生产性零。当工具的赤道接触零件时,表面速度达到峰值。这些表面速度的变化会导致表面光洁度的变化,造成过早和不可预测的刀具磨损,并降低生产率。

这种静态定位类似于五轴定位,其中工具的角度在它接触工件之前设置。虽然刀具角度是固定的,但生产率一般仍高于三轴加工,尤其是在工件表面相当规则的情况下。主动定向可实现五轴轮廓加工:刀具角度相对于机床轴实时变化。这可以实现恒定的角度和表面速度,从而实现更高的编程进给率和更好的表面光洁度。

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方向控制还提高了平底立铣刀和圆头立铣刀的性能,这些立铣刀需要在刀具轴线与垂直于表面切平面和运动方向平面的平面之间保持恒定的 5 度或 10 度角。该角度增加了有效半径,降低了扇形高度,提高了表面光洁度并减少了完成操作所需的刀具走刀次数。控制刀具方向还可以实现恒定的切削深度,并考虑零件库存条件的变化。

五轴机床的缺点

五轴功能伴随着学习曲线——首次采用五轴的商店不能指望即插即用的成功。加工策略将需要针对生产中的特定零件系列进行重新配置。机器、CNC 和 CAM 软件可能比同类三轴版本更昂贵。额外的运动轴会引入额外的误差源并可能会损害刚度。简而言之,五轴是一个高收益的过程,但它也有更高的风险。

最初像三轴机器一样操作五轴机器可能看起来很浪费能力,但它可以帮助用户在学习的同时更加熟悉机器。

选择五轴机床

虽然存在许多不同的五轴机器配置,但本节旨在涵盖四种常见的品种。

复合转台是获得五轴性能的最直接、最经济的方法,但它们有几个明显的缺点。这些工作台可以添加到三轴机床中,但与集成度更高的方法相比,它们的刚度较小且角度误差较高。将旋转轴堆叠在一起进一步放大了角度误差,而双倾斜旋转的工件和旋转轴之间的大堆叠意味着高扭矩负载会影响齿轮组,降低寿命并增加偏转。为了保持工件和刀尖之间的接触,长轴行程也变得必要,这可能会增加错误并限制有效的材料去除率。相对于零件尺寸,工作台通常还需要大型机床。

两轴主轴头,也称为主轴头,通常用于龙门式加工中心。它们具有与双倾斜转台相同的精度和刚度弱点,并且可能具有有限的旋转范围(对于垂直加工,C 轴通常具有无限的运动范围,而 A 轴可能限制在 ±90从垂直位置的运动度数)。它们仍然适用于进入大而深的型腔,这在汽车行业的大型模具和模具组件中很常见。不建议将这些头部用于叶片和螺旋桨等细长部件,因为这些部件通常需要 360 度访问。

单轴主轴头,通常称为“摆式”头,通常比双倾斜工作台或多轴主轴头提供更好的精度,因为旋转轴没有堆叠。在立式加工中心中,五个轴通常分布在三轴组(X、Y 和 A 或 C)和两轴对(Z 和 B 或 A)中。不幸的是,主轴头的旋转中心距离刀具相对较远,导致角度误差并降低整体系统刚度,并且运动范围通常受到限制。这些配置仍然适用于叶轮、叶片和其他部件,这些部件本身可以旋转以向主轴呈现不同的面。

倾转主轴与单轴转台配合使用,一般是五轴加工中小型凹凸零件的最佳选择。棱柱形和细长的零件特别适合这种配置。B 轴使主轴能够围绕刀尖旋转,从而最大限度地减少角度误差并将 B 轴上的扭转载荷降至最低。即使刀尖与 B 轴旋转中心不完全对齐,刀尖与旋转中心之间的距离通常小于 3 英寸,可将角度误差降低 75% 或更多。倾斜主轴设计通过确保在需要大的 B 轴角运动时将线性轴运动保持在最低限度来提高精度。两个旋转轴的分离使堆叠误差最小化,与其他机器类型相比,主轴头从垂直方向旋转 ±100 度都增加了灵活性,并有助于产生倒凹。这种底切能力使倾斜主轴机器非常适合轮胎花纹、复杂电极和涡轮机械部件等部件。相反,主轴中心线和 B 轴齿轮组表面之间有限的喉部距离限制了该设计在加工大直径零件中的深腔时的性能。

五轴设计对机器性能的影响

与倾斜主轴五轴设计相比,摆锤和双倾斜旋转设计的刀具部件接口距离 B 轴旋转中心更远。这个距离将角度误差乘以大约 250(不是百分比,而是实际值)。这使得倾斜主轴设计更加精确,即使轴行程更小,轴进给率更低,达到相同的表面速度也是如此。考虑到公差不仅要考虑一个轴的误差范围,还要考虑所有五个轴的误差范围——而且在添加动态误差、热效应、工具跳动、偏转和其他问题之前,精度尤其重要。

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Swift CNC 也是五轴加工的必备工具。五轴加工比三轴加工产生更多的信息,尤其是在保持工具与工件接触的恒定线性轴运动的情况下。块处理速度是否会保持在每秒 1,000 块以上是值得检查的,这是高性能五轴同时轮廓加工的推荐 CNC 速度。

CNC 和运动性能

对五轴 CNC 有用的特定功能包括五轴刀具长度补偿和零件补偿,如果实际刀具长度或零件尺寸与标称值不同,用户无需重新发布刀具路径。大型计算机存储驱动器(基于云或本地),以及有线以太网或无线连接功能,有助于适应五轴零件所需的大型零件程序的传输和存储。

由于零件复杂且循环时间长,五轴 CNC 系统还应具有强大的错误恢复程序。电源故障和刀具损坏也总是存在风险。这些恢复程序应包括沿其主轴收回工具的能力。

虽然轴进给率是三轴机床的优秀评估标准,但对于五轴机床来说,它们存在明显缺陷。相反,机器几何形状和用户应用程序决定了旋转轴或线性轴是否决定了五轴性能限制。例如,倾斜轴机床的线性进给率和 B 轴速度比类似的摆锤几何形状更高,但切削进给率更低。这可以通过更快速的摆锤来平衡,但刚度更低,精度降低 250 倍。

主轴选择

与选择三轴主轴一样,用户必须平衡高端主轴转速和低端扭矩,尤其是对于高性能机床。但是,五轴机器提供的附加功能会显着影响性能。

五轴主轴必须在许多方向上运行,包括“机头向上”。这意味着前轴承密封装置必须是高质量的,以延长主轴寿命。刀具主轴接口对于涉及深腔、复杂几何形状或难以加工的材料的工作也很重要。HSK 主轴最适合这些任务,尤其是直径大于 0.5 英寸的刀具,因为它们比可比较的 CAT/ISO 锥度几何形状更坚固、更精确。它们还更能抵抗长期微动磨损,这种磨损发生在长时间侧面铣削硬质材料或使用长刀具以获得复杂几何形状时。

热性能

所有五轴机器都容易受到热增长的影响,但双倾斜旋转和摆式主轴特别容易受到影响。用户可以使用基于 CNC 的热生长控制系统来管理热性能,从而将主轴热生长减少多达 85%。X、Y 和 Z 轴上的直接线性标尺反馈以及旋转轴上的高分辨率输出轴编码器也可以最大限度地减少热增长的影响。如果没有对策,热增长会在几个小时内影响精度达 0.002 英寸或更多。

五轴加工技术的CAM选择

五轴机器和工艺的广泛变化使得选择正确的软件至关重要。例如,该软件是否仅提供静态工具方向控制,或更灵活的轮廓?它是否提供碰撞检测和控制?供应商是否在内部五轴机床上测试过 CAM 软件?一个更简单的软件可能更便宜,但从长远来看,额外的功能和灵活性将被证明更有效率。

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