针对模具和成型制造的五轴同步硬铣削

徐康哲

现如今，企业必须通过快捷而灵活的加工工艺，来应对日益增长的竞争压力。在大多数情况下，加工时间的缩短，往往不是依靠现代化的设备和铣刀技术，而是通过上游或中间流程，如硬化处理的优化而得以实现的。上游或中间的工艺流程可能占用大量的时间和物流资源，因此会无谓地延长制造过程的时间。
- G# S6 f* ]% Q" U硬铣削在常规的工具制造生产链中，可以提供巨大的改进潜力，在某些情况下，甚至可以取代传统的生产环节。但是，硬铣削的原则是：并非所有“可操作”的场合都具有经济性。在加工极硬、极细、极小和极复杂外形的特殊材料时，可供采用的流程工艺仍具有其局限性。

采用合适的流程设计，只需一个粗加工流程，便可对工件的热流道进行无级镂空；由此可显著降低初精磨和对剩余材料剥离的费用硬质涂层可以提高生产率
硬质材料涂层技术的快速发展，是挖掘硬铣削高效加工潜力的一个重要因素，它可以实现对50~67HRC硬度的材料进行加工。今天在这方面，典型的TiAlN-PVD涂层已经得到了应用，这种材质通过改变涂层结构和添加其他合金元素而得到进一步的优化。此外，在提高工艺流程的效率和能力方面，CAM技术和设备技术都做出了各自的贡献。尤其是五轴同步加工具有一系列的优点，因此成为很多加工中心追求的目标。
, W+ v0 o; j% V* h% h" u早在20世纪90年代初，人们就对采用五个同步控制机轴对模具空穴的加工有所了解，并做出了描述。更属于这项技术范畴的还有较大的行宽、较短且较稳定的铣刀、对模具外形的任意可加工性、更稳定且可保护刀具的流程等特征。
" ?5 i: H# ?% o压缩机转子的整体加工
只要观察一下碟片边缘，便可发现一种有趣的现象：目前对涡轮叶片的加工技术发展，特别是所谓的Blisks（刀刃集成盘）和压缩机转子的整体加工，往往都具有类似的边缘条件。尤其是在这种场合中所采用的材料（钛基和镍基合金）会对加工工艺提出类似于硬加工的较高的要求。
在对典型工件的五轴硬加工的轨迹进行设计时，切削分度可以与三轴加工边缘条件下的做法有所不同。在那种场合中，由于切入状况会受到另外两个轴的影响，因此同样采用另类的刀具。这样在粗加工时，即可切削掉大部分材料，又可以很接近于工件的外形轮廓。这对于后续的工序，如粗磨和精磨的工艺条件来说有着极大的改善。由此可以极大缩短粗磨所需时间，减少刀具的磨损，提高工艺流程的安全性。在精加工时，通过在定向运行上所获得的灵活性，即可采用行距较宽的刀具，从而可以大幅度地降低精加工轨迹的数量。这就意味着在确保同样的表面质量的前提下，可使生产时间从以小时计算改为分钟计算。
今天，只要环顾一下工具制造业的情况，即可发现很少场合真正用到五轴同步加工。尽管在大多数情况下，可以对设备进行所需的配备，而通常只采用三轴，或顶多再携带一个可调节的第四轴或第五轴进行加工。其原因何在？实际情况是，五轴加工的编程工作耗时巨大，由于缺乏技术诀窍，造成了整体经济效益大幅提升受到阻碍；因此在这种受限的情况下，三轴加工方法反而更具实际意义。此外，能够满足对流程引导和对剩余材料识别的特殊要求的CAM软件也尚未完成匹配。而这些特殊要求恰恰需要从硬铣削加工中显现。这对于需要保持恒定的刀具切深及载荷条件的粗铣和粗磨加工场合来说，具有特别重要的意义。
+ x/ O9 M: X/ _轨迹运行波动加大刀刃负载
( ?4 S; y# \! [: Z- t刀具尖部或刀具轴向上的颤抖轨迹运动会导致刀具和刀刃的负荷加大。将NC程序与机床设备的动态载荷性能一起进行详尽的探究，对于保持硬加工过程窗口的狭窄极限值是非常有益的。一旦因非匀称轨迹导向和轴载荷加大而脱离这种狭窄值的流程窗口，则会导致刀具严重磨损和轮廓削痕。
; r3 B6 H  T* P* x% l$ m为了在运用动态及控制模型的情况下实现NC数据分析和最佳化调节，Fraunhofer IPT公司研发出了NC-Profiler软件（图1）。这种软件可以对刀具行程的危险区域进行标识，用户可以对NC程序块、轴曲线图和3D刀具轨迹进行同步观察，由此可以快速了解刀具路径中损坏区域的信息。采用不同的NC-Profiler软件功能，可以实现对新刀具的部分自动或手动的优化调节和确认。
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  |/ b5 U( ~/ X2 b3 Z图1 用于NC数据分析和最佳化调节的NC-Profiler软件轨迹信息不受设备类型影响
在CAM系统上设计轨迹时，轨迹信息基本上不受设备类型的制约。因此，对机床的动态性及其对后续流程引导的影响，可暂不予考虑。在常规的三轴加工场合中，设备及其控制系统的影响在大多数情况下都不大，这是因为它不是直接与工件发生关联。而在五轴加工场合，情况则不同。如果需要五轴同时运行，则运动必须同步进行，否则就可能会导致严重的轮廓偏差。根据不同的加工方式（端面铣削或侧面铣削），定向轴或多或少都具有影响。例如在侧面铣削中，如果定向运动呈现非匀称，则在工件上直接就会出现痕迹。此外，刀具也会受到很大的载荷，甚至会出现刀具折断的危险。
因此，从CAM系统的轨迹设计、后置处理程序、同步运行方案，一直到控制系统与机床设备，应注意采用一种贯穿式的技术方案。最近对贯穿式同步环节应用（集成到Unigraphics NX5上）的研究，在“高薪国家集成生产技术”的框架协议内（ICD B2.2），得到了德国研究协会DFG的支持。
目前研究工作的目标在于，对工具制造业中五轴同步加工进行研究，以降低编程的费用，实现热流道模具加工的良好效益性。这也是一个由欧盟委员会赞助的为时两年的Hard Precision精密硬加工研究项目的目标之一，这项工作由Fraunhofer IPT公司联合其他11家合作伙伴共同执行。这项合作涉及到全欧洲的工具与模具制造业中不同领域的科研机构、设备制造厂商、CAM供应商、刀具和涂层厂家、测量单位、夹具厂家和最终用户。其间除了新型全静压轴承的机床设备之外，也对硬铣削的整体流程环节进行了观察，以达到所设定的目标。
通过粗加工实现统一的精磨余量
五轴同步硬加工的一个例子便是对用于白铁皮罐精密深拉的模具的加工。模具对材质和表面质量以及精度的要求极高，这是因为深拉工艺制成的工件必须满足在各个元件的密封性和可重复制造性的苛刻要求。为了能够从一种统一的坯料中，快速加工出各种不同的造型，从简单的粗钻孔出发，以硬化处理过的坯料作为铣削加工的基础。设计粗加工和粗磨工艺时的焦点在于，如何在极短的时间内通过对铣床的最佳利用，达到统一的加工余量，使得最终的精磨流程能够对精度和表面质量有所提高。
最佳的粗加工流程降低精磨费用
采用理想的工艺设计，可以通过一个粗加工程序实现热流道腔的无级扩孔加工。这可以明显降低精磨的费用，由此不仅可以节省整体加工时间，而且也可以节省在三轴粗加工时需要剥离剩余材料的编程费用。五轴同步粗加工的加工策略如图2所示。
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图2 采用五轴同步粗加工技术，对模具热流道腔进行无级铣削的加工曲线刀具在加工过程中，一方面需要逐步适应从工件中心钻削圆孔，向最终直角外形的过渡，另一方面也需要在垂直的平面上做出倾斜，以便在最后一个步骤中，可以通过滚铣工艺，加工出工件的倾斜内轮廓。而在采用三轴运行导向时，刀刃往往只能实现很浅的切削深度，因此也只能有部分刀刃被使用到。这里介绍的加工策略可以实现对刀刃的完全利用，因此在采用螺旋式刀具时，可以实现比较稳定的工艺流程和刀刃上比较均匀的磨损分布状态。
$ q) g0 D1 w$ j7 M对所述加工策略的评估表明，尽管采取的是整体硬加工，但是也可以达到常规型或复合型软、硬和EDM加工所达到的类似的加工时间。鉴于物流费用明显降低，加工时间明显缩短，因此，五轴硬加工还是具备显著的优势的。
文章关键词： 模具 铣削 刀具