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摘要：五軸聯動銑削可以優化切削過程、參數，有利于降低刀具磨損、減少后加工，是汽車模具加工技術發展的潮流。它適合于使用球頭銑刀加工小曲率的凸表面和較淺的凹表面，也可用于使用銑刀側面加工自由表面。采用3+2軸加工方式可以大限度加快走刀。數控銑削比仿型銑削精度高、后加工少。實現五軸高速銑削加工需要不斷加強機床計算機數控系統的功能，使之能夠直接接收全部設計數據并加以利用，能夠前瞻處理多個程序塊，能夠方便用戶介入計算機輔助制造過程修正設計數據。
1 引言
應用高速切削(HSC)技術加工制造模具，具有切削效率高、可以明顯縮短機動加工時間，加工精度高、表面質量好因此可以大大縮短機械后加工如磨削、人工后加工和取樣檢驗輔助工時等許多優點。國外制造某種汽車車門拉伸模具時，粗銑后應用高速銑削技術比傳統銑削工藝增加一道半精銑工序約10h，但精銑時間從36h縮短到30h，并完全節省了其后的鉗工平整走刀痕跡工作20h，鉗工鏟刮從30h減少到4h，鉗工拋光從20h減少為10h，總工時從106h縮短到了54h。
生產實踐表明，通過引進和應用高速銑削加工技術，尤其是相關的五軸聯動銑削、計算機輔助設計(CAD)/計算機輔助制造(CAM)和計算機數控(CNC)技術，有力推動了汽車模具制造的發展。
2 五軸聯動銑削
銑削加工能夠獲得良好的曲線型近似表面。使用球頭刀具進行三軸聯動銑削時，通過x、y、z3根軸方向的直線進給運動，可以保證刀具切到工件上任意坐標點，但刀具軸線的方向不可改變。刀具軸線上的點實際切削速度為零，刀具中央的容屑空間也很小。如果這些點參與切削，不利的切削條件會導致加工表面質量下降，刀刃磨損加劇，加工時間延長，使高品位的刀具材料得不到充分利用。
與三軸聯動銑削比較，五軸聯動銑削具有一系列優點。此時，通過2根旋轉軸的運動，可以隨時調整刀具軸線的方向，使銑刀軸線與工件表面夾角和實際切削速度保持不變。可以更為靈活地設定走刀路徑，以滿足對工件表面給定的峰谷深度的要求。其中使用球頭刀具加工時，無論刀具相對工件處于什么方位，總是在半球面上分離切屑。因此每次總是切下幾何形狀和尺寸相同的切屑。發生改變的是分離切屑時刀刃的運動軌跡，以及由此而確定的刀刃接觸條件和切削幾何運動條件。也就是說，可以通過有目的地改變和確定刀具的方位，來影響切削過程和幾何運動參數，并可從刀具磨損、表面質量和加工過程穩定性等方面入手優化二者，如下圖所示。
圖 球頭銑刀五軸銑削幾何運動關系
當然，五軸聯動銑削的數控編程比較復雜，對計算機數控(CNC)系統的計算能力和速度要求更高，在需要機床各直線進給軸作大幅度補償運動的同時又要求避免發生干涉碰撞。因此在模具制造中，只能利用五軸聯動銑削的優點加工一定范圍內的工件。
五軸聯動銑削可以令人滿意地用于加工下凹較淺的零件，例如一種商用車車頂襯里的壓鑄模。當數學描述復雜的工件表面可以采用銑刀側銑時，也能夠應用五軸銑削加工。國外一家汽車制造配套廠家，利用五軸銑削的走刀行程同時加工出活動組合模具的外形輪廓和壓邊圈。但是，下凹深且局部形狀復雜的模具一般不能夠采用通常的五軸銑削加工，因為刀具可能會與工件發生干涉。
限于技術發展當前的水平，五軸聯動切削機床2根旋轉軸的運動速度和加速度較低，導致五軸聯動銑削往往不能夠充分發揮高速切削機床的性能和威力。此時，比較恰當的折中方案是3+2軸加工，既保證工件輪廓上各點切削時幾何運動條件基本相同，又使軌跡運動速度和加速度比較高。實際運用中首先將工件輪廓劃分為不同區域，在各區域內盡可能優地調整刀具的方位。隨后采用三軸聯動插補方式切削加工工件各區域輪廓，雖然不能保證切削條件完全不變，但可以避免發生不利的情況例如刀具頭部中央參與切削。
實踐經驗表明，使用圓柱立銑刀五軸聯動銑削時走刀間距寬闊，對于所需要的人工后加工反而產生不良作用，因為工件輪廓上指明后加工位置的凸峰彼此間隔也遠得多，人工打磨后形成起伏不平表面的可能性增大，這在汽車覆蓋件模具是不允許的。相比之下，使用球頭刀具走刀間距小得多，產生的近似輪廓上很接近的凹槽低谷，能夠為人工打磨模具表面指明方位。
模具工業對機床工業提出了特殊要求，其中一個突出的發展趨勢是五軸聯動機床。統計數字顯示，德國一些專門化機床生產廠家全部產品的50%～80%提供給模具制造廠家，其中有至少16%多達到50%～60%的五軸聯動控制機床。甚至還有廠家批量生產和提供多可以六軸插補的數控機床，主要用于加工斜面和孔。除此之外，仍然有相當比例的仿型銑床提供給模具制造廠家，不過數量逐年下降。通用機床生產廠家也有很高比例的產品提供給模具制造廠家，但主要用于加工制造中小模具，如家用器具模具或玩具模具。其中五軸聯動機床的比例不高，僅占大約3%～5%。
機床的每一根運動軸都是一個誤差來源。五軸聯動機床上2根旋轉軸運動的出現，使得加工精度比三軸聯動機床較難達到指定數值，但0.1mm數量級的模具制造精度不難達到。機床制造廠家認為，精度問題不是決定性的，并沒有阻擋投資生產五軸聯動機床這一發展趨勢。影響五軸聯動機床運動精度和速度的首要因素是控制系統的性能，然后是驅動系統的性能，以及機械設計的水平。
3 模具加工的自動控制
只有建立從產品設計、工藝規劃、數控編程到銑削加工的全局觀念，也即CAD/CAM技術集成一體，才能夠為五軸聯動銑削自由表面提供適宜的實現途徑。
擁有五軸聯動機床的模具制造廠家，對單單只采用CAM技術的做法提出了批評。在實踐中可以發現，汽車制造配套廠家有一小部分工作，是直接利用CAD數據經由數控銑削完成。而大部分的工件幾何數據，還是由客戶以仿型樣件或設計模型的形式提供。不幾年前，汽車工業開始要求完全放棄使用樣件和模型來制造模具，盡管這一目標短時間內不容易實現。
與仿型銑削平均加工精度為0.6mm相比，數控銑削加工精度較高，可以控制在0.2mm以內。淘汰仿型加工和模具涂色配刮，還可以防止產生累積誤差。例如單是溫度的變化，就能夠在大的樣件上造成大于0.1mm的尺寸變動。再如當成品模型或其零件損壞后不可修復需要更換時，對連接表面的加工精度要求在5μm之內，只能通過直接數控銑削獲得。實際經驗表明，這樣生成的表面，需要的人工后加工工作量可以減少50%。這些實在的優點，對于模具制造具有決定性意義。因此，越來越多廠家完全直接應用數字控制技術，來制造全部模具。
經過努力開發，象三軸聯動數控一樣，在現代模具制造中五軸聯動NC系統也允許操作者通過控制臺旋鈕讓機床超速進給，以便盡可能提高刀具的移動速度。面對用戶的抱怨，即經由CAD數據、CAM處理器、NC處理器和后處理器正常生成NC加工程序時，后繼編輯和補償所需的數據在機床控制系統中已經不復存在，控制系統制造廠家正在改變方法，把全部CAD數據直接傳送到CNC系統中提供利用。這樣一來，盡管NC加工程序中并未包含例如同切削點法向矢量有關的信息數據，NC系統仍然能夠進行三維的刀具補償。此外，還允許直接在機床旁方便地改變例如加工策略、刀路、使用的刀具、工件位置等工藝內容。僅僅這一項技術改進，可以成倍提高數控加工整個過程的運行速度。
針對NC編程語言影響過程運行的速度和精度的問題，有制造廠家把改進目標放到要讓NC系統能夠較為直接地處理曲面的CAD描述上，也即不經過NC編程語言中間搭橋。其結果，使NC系統處理程序塊的正常時間降低到2ms，短時間可達到0.5ms。這樣一來，NC系統的速度不再是瓶頸，需要拖帶沉重工件即汽車模具的進給驅動系統轉而變為薄弱環節。
由于CAD數據經常存在缺陷或不完整，還有NC系統制造廠家便想方設法方便用戶介入CAM過程，去發現和修正不正確的數據，但刀具補償還是由NC系統完成。此時除了補償刀具長度，還可以在狹小的公差范圍內補償小的、重磨的刀具的半徑，并且不需要改編刀路。以上這些制造廠家目前提供的NC系統，都可以對五軸聯動銑削加工補償刀具長度和工件位置。
另外，對模具制造具有重要意義的速度預控制(前瞻)功能，已經成為現代CNC系統的一個標準特征。這一功能的設立，可以使NC系統預先處理多個即將到來的程序塊，以便進給加速度和刀路速度與被銑削的工件輪廓相適應，不讓進給速度在每一程序塊終結時降低到零。在模具制造中常見的自由表面，往往要求加工時密布中間插值點，這時利用前瞻功能可以控制機床產生平滑的軌跡運動，同時保持很高的刀路速度。有制造廠家進一步開發成功具有適應前瞻功能的NC系統，能夠在運行過程中作機床誤差補償。另一方面，由于需要的計算量太大，目前機床控制系統還不能夠通過在線計算發現加工干涉情況，需要在今后繼續努力改進。
4 結束語
五軸聯動高速銑削加工技術在汽車模具制造中應用日益廣泛，推動了汽車模具制造的發展。應用五軸銑削加工需要注意到適用的工件形狀、有利的加工方案和合適的刀具。只有通過綜合運用計算機輔助設計/計算機輔助制造技術，尤其需要努力加強機床計算機數控系統的功能，才能夠充分發揮五軸高速銑削加工的優點而取得成效。
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