模具制造的5轴加工

2021-03-02 00:53:01 编辑:旺振兴 来源:本站原创
模具制造业主要以制造锻模、拉伸模、注射模和金属压铸模为主。因此为汽车、飞机、家电、日用品、电子行业等工业零部件制造设备提供强有力的支撑。

模具作为工业之母,在从产品概念到零部件批量生产的整个生产过程中起着关键作用。这个行业的产品特点是几何形状复杂。许多模具有很深的空腔和陡峭的侧壁。模具的型芯和型腔多为自由曲面,以单件生产为主,开发周期短。因此,需要采用灵活高效的加工技术。然而,复杂几何工件的加工和所需的工艺灵活性直接指向5轴加工。



5轴加工的优点是可以实现全部5个轴的同时运动,这是业界从90年代就已经知道的。它不仅可以实现自由曲面、圆柱面和球面的铣削,还可以实现工件五个面的加工,重点是可以加工出较大的排距、较短的铣刀、几乎任何几何形状、明显稳定的工艺控制。另外,工件在定位基面上加工后,所有加工都可以通过一次装夹实现,避免了多次装夹变化带来的精度和时间问题。

五轴联动加工

五轴联动加工是通过在现有的3个笛卡尔直坐标轴上集成两个附加的摆动旋转轴来实现的(图1),这样铣刀就可以相对于零件的自由面进行5个自由度的五轴联动加工。对于一些较深或难以接近的空腔自由表面(图2),可以采用相对较短的铣刀进行5轴加工(图3),这增强了铣刀的刚度,提高了铣刀的加工稳定性。

图2。五轴铣削为制造具有复杂几何形状的金属铸造模具和塑料注射模具创造了竞争优势(赛思科公司/迈斯纳模具公司)

5轴加工结合刀具的几何角度也有利于难切削材料的加工。铣刀的自由几何定位使铣刀与工件的接触保持在最佳状态,即铣刀的切削刃可以最佳地接近工件的轮廓,这可以使刀具达到更大的铣削行距,从而缩短加工时间。

图3。短柄或锥柄铣刀可用于通过铣刀的连续摆动实现稳定可靠的铣削过程。

与三轴铣削相比,五轴铣削在技术、几何和经济上具有一系列优势。它几乎可以加工任何复杂几何形状的模具,五轴加工的魅力在于它可以在工件一次装夹的情况下几乎完成加工,从而提高模具的加工精度和工件的表面质量,缩短加工时间(无需运输和更换工件夹具)。图4。三轴铣削与五轴铣削的比较

纯三轴机床在加工复杂几何形状的模具时存在一些困难。例如,加工模具的小槽角半径时,铣刀的刀尖半径不允许大于模具的该槽角半径。然而,在加工深腔时,往往需要使用细长的铣刀,这将导致加工不稳定和表面质量差。

表1 .五轴联动铣削与三轴铣削的优缺点比较

再比如3轴加工遇到脱模斜度小的情况,往往很难进行铣削。即使加工大倾角的斜面,也只能用小很多倍的切割线间距进行切割。五轴加工时,铣刀可以相对于该表面以所需的角度一次切削掉表面上的材料。与3轴铣削相比,5轴铣削有优点也有缺点(见图4和表1)。加工非自由曲面时,采用3轴2轴加工更有优势。

3双轴定位加工

3 2轴组合加工,通过摆动转轴将刀具固定在一个倾斜的位置,实现各部分的加工,即实现3 2轴的定位加工。3-2轴虽然不能加工自由曲面,但可以加工5面复杂零件。在大多数情况下,不需要更换两次甚至三次夹具,因此不需要浪费时间进行多次夹紧。因此,不仅提高了生产效率和加工精度,而且提高了机床的加工灵活性。显然,使用这样的5轴机床(3个2轴)更经济,因为购买一个新的5轴联动加工中心的成本远远高于购买一个装有两轴转台的立式3轴加工中心的成本。此外,3个2轴的组合还有一些其他优势(表2)。

表2 .3相对于5轴联动的2轴加工

举个例子:对于纯5轴机床,4、5轴大部分设置在工作台上,往往会产生边缘干涉。这需要更高的工件夹具或更长的刀具,但机床的稳定性会下降,从而导致振动,最终降低机床的加工精度和效率。如果将工件夹紧在附加工作台上,边缘的干涉会明显减小。因此,可以使用不容易产生振动的短工具。

3个2轴解决方案的其他优势体现在运动部件的质量上。五轴机床必须对整个机床工作台和工件进行加速和制动。对于一个或两个附加轴,只有带工件的转轴才能运动,可以明显减小质量,从而降低功耗。

近年来,五轴加工中心的发展趋势强劲。涡轮叶片、叶轮、成型模具或其他自由曲面零件都需要5轴加工中心。然而,有许多不同的加工任务,5轴联动加工对于许多应用来说是不必要和不经济的,因为在5轴加工中心进行的所有加工中90%是纯5面加工。带有第四轴和(如有必要)第五轴的三轴立式加工中心是一种高生产率的解决方案。也就是说,采用装有摆动轴和旋转轴的立式加工中心,往往是一种经济、紧凑、灵活的加工方案。能满足采购成本、可达性、工作区域、能耗等要求。图5。带回转工作台的三轴铣床成为功能强大的五轴加工中心(莱曼公司)。

在实际生产中,在三轴铣床上安装两轴转台就变成了五轴加工中心(图5)。与纯5轴机床相比,该机床更容易实现工件的多面加工。如果采用更大规格的工作台,可以加工多个工件,生产率更高。

五轴铣削是一个要求非常高的过程,铣削的最终结果取决于机床、刀具、编程和控制系统之间的最佳合作。

五轴机床

根据摆动轴和旋转轴的不同配置,可以形成各种类型的五轴加工机床。可以是立式、卧式、柱式移动(工作空间大),也可以是龙门式(适合加工大件)。常见的五轴机床是摆动和摆动工作台,摆动轴的支架上经常设置一个摆动工作台(也可以设置多个摆动工作台来实现多轴加工,图6)。该机床适用于加工中小型工件,摆动工作台由两侧(图6)和一侧(图7)支撑。

图6。马加斯公司的主轴加工中心

目前,随着直线电机和力矩电机的广泛应用,直接驱动的五轴机床数量越来越多,这不仅使机床具有高加速度,而且提高了机床的工作精度。使用五轴高速铣床加工零件可以在短时间内实现高加工精度和表面质量。

图7。GROB公司五轴加工中心

加工形状复杂的模具时,首次调试新的数控程序时,要特别注意刀具与工件的碰撞。因此,GF  archi夏米尔公司开发的Mikron  HPM  600U、HPM800U高效铣床,配备了机床主轴保护HPM。使用该系统可以避免主轴损坏,提高机床几何精度,减少停机时间。

五轴高速加工中心的共同特点是采用龙门框架结构来增强机床的刚性,而机床床身采用聚合物混凝土。由于这种材料具有良好的阻尼性能和低热导率,而机床的热稳定性是保证高加工精度的一个非常重要的条件,所以一些高精度加工中心通过监测所有介质和部件(如轴传动装置)的冷却过程来控制机床的内部温度,以保证加工中心极高的稳定性。

五轴高速加工中心价格比三轴加工中心高很多。根据德马吉森Seiki  DMC75V系列五轴加工中心与三轴加工中心的价格比较,五轴加工中心的价格比三轴加工中心高50%左右。虽然5轴高速加工中心价格高,但这种高档机床特别适合加工复杂几何形状的模具。在加工深而陡的型腔时,五轴加工中心可以通过工件或主轴头的额外旋转和摆动,为端铣刀创造最佳的加工条件,避免刀具与刀架和型腔壁的碰撞,从而降低刀具加工时的抖动和刀具破损风险,有利于提高模具的表面质量、加工效率和刀具寿命。据德国专门生产汽车发动机箱体零件和燃油容器的模具厂家介绍,迈斯纳的28台铣床中,有14台用于5轴联动加工,使用经验丰富。由于五轴铣削的诸多优点,在铣削砂型铸造成型模具时,公司使用的五轴铣削的成本大约是以前使用的三轴铣削的一半。

数控编程与数控系统

目前,数控编程基本上是通过CAD/CAM系统实现的。事实上,如果使用合适的编程系统,可以显著减少编程工作,编程可靠。五轴铣削编程没有三轴铣削编程那么费力和复杂。一般带有CAD/CAM系统的3轴、3轴、2轴、5轴的铣刀轨迹随着所选机床的运动一起可见,即CAM系统可以用来验证生成的刀具轨迹的精度,检查刀具、工件、刀架与机床主轴之间可能发生的碰撞,验证加工代码的正确性。

数控系统是高速五轴加工中心的重要组成部分,在很大程度上决定了机床的速度、精度和表面质量。因此,数控系统的性能对高速加工模具自由曲面的机床具有重要意义。

在加工高精度自由曲面时,由微线段直线和圆弧组成的刀具轨迹会引起庞大的零件程序,这些数据流需要由机床控制系统进行存储和处理。因此,程序段的处理时间是决定数控系统工作效率的重要指标。目前,高档数控系统的加工时间一般可以达到0.5毫秒(如Heidenham的iTNC530数控系统),而有些数控系统的加工时间已经缩短到0.2毫秒-0.4毫秒或更短。

应用于模具高速加工的现代数控系统,不仅要有保证高速进给速度所必需的短程序处理时间,还要有Nurbs和样条插值功能,并能以纳米分辨率工作,从而在高速加工条件下获得较高的加工精度和表面质量。

目前,高档数控系统也可以与不同厂家的CAD/CAM系统连接,数据通过以太网从CAD/CAM系统高速传输到控制系统。将计算机辅助设计/计算机辅助制造集成到控制系统中,可以在很大程度上实现复杂模具轮廓加工的良好效果,为缩短调整时间和编程时间做出非常重要的贡献。

刀具和刀架

在模具加工中,主要使用细晶硬质合金刀具(球头铣刀和刀尖圆弧半径的端铣刀),大多具有硬质涂层和特殊的刃形角。刀柄的最大直径为16-20毫米。由于刀具通常难以接近工件的轮廓,应采用细长结构的卡盘。考虑到高速铣削中细长的结构、较高的回转精度和相应的平衡质量,适合模具加工的刀架主要有两种:热胀冷缩卡盘(利用刀架材料受热膨胀、冷却收缩的特点实现对刀和换刀)和应力锁紧卡盘(如三角形应力锁紧卡盘和液压膨胀卡盘,依靠卡盘的机械变形实现对刀)。铣削模具零件时,由于材料切削量不大,径向切削力小,选择这种类型比较合适。标签

五轴高速加工中心的发展及其工作性能的不断提高是模具制造业高效、准确加工模具的重要前提,也是加工复杂模具的关键设备。使用直接驱动的五轴加工中心可以显著提高加工中心的移动速度、动态性能和定位精度。5轴加工为零件的完整加工创造了条件,从而减少了准备时间、工件处理、测量和工艺流程时间。对于制造模具来说,五轴联动铣削已经成为模具加工的关键工序。特别是5轴高速硬铣可以大大简化模具制造的整个生产过程,提高模具的加工质量,缩短模具制造时间,降低生产成本,从而大大提高模具制造企业的竞争力。
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