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一些拥有更复杂零件的公司应该开始考虑购买五轴机床,这通常被认为是卧式加工中心 (HMC) 的自然发展。同样,在三轴垂直机床上增加第四轴工作台或耳轴的垂直加工企业也应该考虑购买五轴机床。

复杂曲面、复杂几何

您可能会惊讶地发现,只有大约 5% 的机加工零件需要全五轴机床加工。五轴加工在航空航天工业中最为普遍,其中零件往往是非棱柱形(不是盒状),具有复杂的表面,例如航空涡轮机、叶轮或翼型叶盘。这些复杂的设计要求机器的所有五个轴同时移动以创建形状,从而使切削工具能够对零件表面采取多向方法。五轴加工也广泛用于模具制造,在这种情况下,生产复杂的几何形状和表面一直存在。在本文的后面部分,我们将介绍使用五轴机床的一些好处,即使您的零件并不复杂。

处理能力

在全五轴加工中,所有五个轴都可以同时移动和切削。这种类型的机器需要高度响应的伺服驱动器来瞬时移动,同时响应数千个移动/位置命令。尽管切割过程产生了力,但仍需要高精度的转台来精确定位零件。

为了充分处理这些计算任务,机器控制必须具有高处理能力来计算、跟踪和控制工具中心点。(工具中心点很关键,因为它的位置和方向决定了如何去除材料以产生所需的形状。)五轴程序代码包括 X、Y 和 Z 线性轴的指令;两个旋转 A 轴和 B 轴协同工作,以在轮廓加工时保持刀具垂直(垂直)于零件表面;以及刀具刀具偏置的 I、J 和 K 矢量。该常数计算包括所有夹具偏移、刀具偏移、刀具补偿和所有工作平面的平移,无论哪个轴或转台正在移动。

为此,控制系统必须能够立即响应伺服驱动器,以块的形式处理运动命令,并解释大量 CAM 数据,同时“向前看”工具的下一步。所有这些计算都必须准确完成,以便在零件表面上不会留下任何停留标记。避免停留痕迹在模具工作中尤为重要。此功能还允许在加工循环期间使用探测来检查结果。为了支持这种处理能力和能力,一台完整的五轴机器的成本大大高于三轴机器。

五轴定位加工

虽然看起来从三轴加工向前迈进的下一步是全五轴加工,但有一个过渡步骤,称为 3+2 加工。这种中间模式可以完成工作,但使用更便宜的机器。仅仅因为非棱柱形零件具有不垂直于表面或机器轴的孔、角度或特征并不意味着需要完整的五轴能力。

用 3+2 加工来加工必要的特征,机床倾斜刀具或将第四和第五轴旋转到一个固定位置,然后执行一个三轴程序,在 X、Y 和 Z 方向上移动。这有时被称为五轴轴定位加工,而不是一次在所有线性轴和旋转轴上连续操作刀具的全五轴加工。

虽然 3+2 控件可以跟踪零件的初始原点,但它是一个较慢的、一次移动的过程。与全五轴控制不同,3+2 控制不需要能够在切割过程中跟踪所有轴的运动、平移和更新工件偏移、刀具偏移和坐标系。使用 3+2,一次只计算一个工作平面。也就是说,控制器“认为”工具相对于正确位于零件形状上某个位置的平坦静态表面移动,以便工具可以在该点垂直。移动到该位置,旋转,然后切割。

并非所有 3+2 机器都设计为同时移动和切割。在这种情况下,活动仅发生在切割开始之前建立的静态工作平面中。零件旋转期间不进行其他加工或加工。3+2 编程可能需要一种按工作平面进行多操作的方法。3+2 机器上的控制不如全五轴机器上的控制复杂,软件也不需要那么强大。因此,3+2机器的初始价格远远低于全五轴机器。

全五轴成本增加

全五轴机和三轴机的价格差异很大,很多因素促成了这种较高的价格。机器本身的结构和质量都很昂贵。五轴机床专为高精度而设计。超精密、高精度的转台和耳轴是必不可少的,而且这些设备价格昂贵。采用全五轴加工,机床运动受限于最慢回转轴的速度,因此安装了高精度、高速回转装置。这是机器成本的一个重要因素。

同样,具有高速能力的高性能、持久耐用的主轴通常用于生产非常光滑的表面,例如模具工作所需的表面。通常,在加工复杂表面时,切割时间可能会非常长。随着时间的推移,机器内部会积聚热量。为了补偿这种热量的影响(例如关键部件的热膨胀),机器可能会将冷却系统集成到其铸件、机床床身、滚珠丝杠和主轴中。无论是在早上切割第一个零件还是在晚上切割最后一个零件,这些系统都能确保并保持机器精度。一些五轴机器设计有一个单独的、隔离的电气柜,以帮助防止电源线和电路的热量转移到机器上。高度响应的伺服电机和伺服回路对于始终控制刀具中心点的准确位置也是必要的。这些组件也增加了五轴机器的成本,上面提到的高度复杂的机器控制、处理器和软件也是如此。

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