五轴加工的策略与优越性

在模具加工中，应用5轴加工策略的一些主要优点是：缩短加工时间、减少手工打磨和提高表面质量。从商业角度考虑，它可以提高模具的加工质量、缩短交货时间，并且大幅度减少工件的调试设置误差，所有这一切都将有利于提高企业的生产利润率。

5轴加工在航空工业已有很多年的应用历史，但直到最近几年，模具制造工业才显示出对这种加工手段的“兴趣”。5轴加工的主要优点是能够减少复杂零件的加工时间，因为工件只需一次调试装卡。其另一个优点是，可以使用较短的刀具，从而能进一步提高加工精度。

图1 采用5轴加工可使刀具与模具表面之间保持一个最佳的角度

可定位的5轴加工

在某些CAM软件中，早就具备了定位5轴加工（又称3+2加工）的功能了。在采用这种技术时，第4和第5加工轴处于旋转位置，其加工由一组3轴操作执行。

除此之外，某些CAM软件可提供连续的5轴加工，这可以让用户在复杂的表面、实体和三角测量模型上创建连续的5轴刀具路径。刀具路径经过全面检查，可支持一系列加工策略和各种刀具。

定位5轴加工的优点

定位5轴加工的优点包括：可有效地使用较短的刀具，减少刀具的延伸长度，加快切削速度，延长刀具使用寿命，提高加工精度，并简单地通过创建一系列的方向性工作平面提高表面质量。而且，采用5轴加工，工件只需很少的调试装卡次数，从而节约时间，减少因多次调试装卡所造成的误差，大大提高机床的利用率。

5轴加工的编程并不像听起来那么困难。它可通过某些CAM软件，找到一些简单实用的编程方法。这些软件包可以使高速加工技术得到很好的应用，以获取更高的成本效益。

经验丰富的用户能够创建样板，为未来创建的程序节约了时间，同时减少了误差，并且能够在计算机上对整个工艺进行模拟，以避免在车间加工中出现错误。在准备应用5轴加工时，用户可能需要调整工装夹具系统的策略，尽可能在5轴调试装卡过程中接近最大数量的零件特性。一般来说，采用标准的工件夹具很明显无法接近工件的多个侧面。专用的5轴夹具装置、卡盘夹紧机构和磁性卡盘可以比较自由地让刀具接近需要加工的零件。

连续5轴加工的优点是可以取消混合线，能够连续地使适当的刀具保持在表面方向上运行加工，这将有利于提高表面质量和延长刀具的使用寿命。总之，走刀次数减少、加工周期缩短和一次性调试设置等优点，有利于节约时间、减少设置误差和更好地接近底部切边。

一般来说，5轴加工的优点还包括提高机床的使用效率，即只要使用一台机床就可进行3轴HSM加工、定位5轴加工、连续5轴加工和5轴钻削加工以及更多其他的加工。一般来说，这些机床的各坐标轴都具有较快的行程速度和较高的主轴转速。再加上5轴加工机床的体积较小、刚性更高，从而进一步提高了机床的加工效果。

然而，随着这些因素的不断发展，确实可以发现5轴加工工艺的成本正在直线上升。这通常是因为对5轴加工在特殊市场中的应用情况缺乏了解。当车间一旦能够全面了解在哪里可以获得好处时，那么这种争议就会很快消失。但必须牢记：高速加工和5轴加工背后的技术将会使这些方法进一步改善，并开辟出更广泛的应用领域。技术方面的这些进展在发展初期可能会比较昂贵，但在刀具使用寿命、工作效率和操作费用等方面所体现出来的更大的优越性将会抵消这些初期的费用。

图2 5轴加工可以获得更好的表面质量，因此可提高模具的加工质量

加工策略

5轴加工的应用范围包括对加强筋的加工、圆角的选择、较深型腔或型芯的加工，以及浅水翼板表面等这类零件的加工操作。5轴加工也可使圆头槽铣刀以更有效的方位加工零件表面。拉削加工、底切加工、陡壁加工和5轴钻削加工均是发挥5轴加工优势的大好机会。

采用5轴加工技术来提高工艺水平可采取一系列的策略，其中包括通过一条曲线、一个点、轮廓外形、刀具位置的自动计算和检查所有刀具路径上互相冲突的情况。某些CAM软件也能支持全系列的刀具设计。

其他的粗加工策略包括从一个点开始，这意味着刀具是这样校准的：轴线通过一个特定的点，使切削端点与此相分离。针对一直线函数校准刀具，这样轴线就会通过一条规定的直线，而切削端点正对着这条直线。这两种方法都允许其接近3轴加工无法达到的区域，或者提供更好的切削条件。

图3 采用5轴加工可以比较容易地加工生产复杂的轮胎模具

驱动表面5轴的含义是投射方向和刀具方向由驱动表面确定。这种特点承认了一个单一的驱动表面，但这是一个多表面零件，它保证了对半圆凿的全面保护。5轴刀具路径通常会碰到这样一个问题：当刀具与加工表面保持正常的状态时，刀具可能会出现摇晃的情况，这种情况可能会导致产生不佳的表面质量。如果能够使用一个简化的参考表面，就可解决这个问题，消除这种效应。

切屑加工是一项采用立铣刀的侧面切削加工技术。在加工的同时，沿着零件的表面推进，例如像锥形加强筋的侧壁。如果根据一组线框参考值，也可生成一条类似的刀具路径。各种类型的刀具，包括锥形刀具都可用于切屑加工。

线框切屑加工的优点是，在某些情况下，它可以提高表面切屑加工的质量。凡是内表面结构较差，或者边缘匹配不太完美的地方，采用这种加工方法是比较合适的。

5轴直通曲线加工的含义是刀具的位置由单一的曲线控制，以保证全面控制刀具路径的运行。这种加工方法的好处是：可消除刀具与机床碰撞的可能性，由于能更好地控制机床的动态特性，因此可提高表面质量。

全集成刀具路径验证可提供一种彻底的碰撞检查手段。机床运动的验证和模拟可检测和显示潜在的碰撞情况，以及轴向运动，并允许在任何轴上用手工轻轻地推动，以调节这种运动。然后再次选择能提供自动避免碰撞的CAM软件，以防止机床损坏和造成重大的经济损失。

图4 5轴加工允许采用较短的刀具

刀具路径的优化

CAM软件还可为用户提供一种优化刀具路径的方法。彩虹投影法可以突出加工顺序，而色彩的变化可以表示轴的反向运动。预见性可视化系统将会把刀具的几何形状、速度和进给率考虑在内。采用新的CAM系统分析尖端特性，用户可以看到刀具的真实运行进程和效果，精确地显示进给率和速度对零件表面的影响，并可预测实际加工前的表面光洁度数值。

点的重新分布提供了一种减少加工时间的有效方法。在最近的一个实例中，一台进给速度为7500mm/min的5轴加工中心，由于采用了点重新分布，因此与标准的公差数据比较，它可以使加工周期缩短39%。可让编程员自由地控制刀具路径的平滑度，以及刀具上各点的分布，从而达到了以上这些结果。

采用正确的CAM软件编程进行5轴加工可为用户提供一个实用的策略，缩短加工周期、减少调试装卡次数和提高表面质量，并可延长刀具使用寿命，采用传统的3轴加工是不可能达到上述效果的。

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