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????????模具制造業(yè)主要圍繞鍛造模、拉伸模、注塑模和金屬壓鑄鑄造模等模具的制造。因此它為汽車(chē)、飛機、家電、生活用品和電子工業(yè)等工業(yè)零部件制造設備提供強大的支持。

????????作為工業(yè)之母，模具在從產(chǎn)品理念到成批生產(chǎn)構件的整個(gè)生產(chǎn)工藝流程中占有關(guān)鍵的地位。這個(gè)行業(yè)產(chǎn)品的特征是產(chǎn)品幾何形狀較為復雜，許多模具有較深的型腔和較陡的側壁，模具的型芯和型腔大部分是自由曲面，并以單件生產(chǎn)為主，開(kāi)發(fā)周期又短，因此需要采用既柔性又具高效的加工工藝。而復雜幾何形狀工件的加工和需要的工藝柔性則直接指向了5軸加工。

????????5軸加工的優(yōu)勢在于能實(shí)現所有5個(gè)軸的同時(shí)運動(dòng)，早在上世紀90年代就已為業(yè)界所知曉。其不僅能實(shí)現自由曲面、圓柱面和球形曲面的銑削加工以及實(shí)現工件的5 面加工外，重要的一點(diǎn)還在于能以較大的行距、短的銑刀、幾乎可以接近任意的幾何形狀和一個(gè)明顯穩定的過(guò)程控制進(jìn)行加工。此外，工件在定位基面加工后，通過(guò)一次裝夾即可實(shí)現全部加工，避免了多次換夾帶來(lái)的精度和時(shí)間問(wèn)題。

????????5軸聯(lián)動(dòng)加工

????????5軸聯(lián)動(dòng)加工是通過(guò)在現有的3 個(gè)笛卡爾直線(xiàn)坐標軸上集成兩個(gè)附加的擺動(dòng)回轉軸來(lái)實(shí)現的(圖1)，使銑刀以5個(gè)自由度相對于構件的自由表面進(jìn)行5軸聯(lián)動(dòng)加工，對于一些較深或難于接近的型腔自由曲面(圖2)，憑借5軸加工就能采用相對短的銑刀(圖3)，增強銑刀的剛性和提高銑刀加工的穩定性。

????????通過(guò)5軸加工結合刀具的幾何角度也有利于加工難于切削的材料。而銑刀自由的幾何定位又使銑刀與工件的接觸保持最佳狀態(tài)，也就是銑刀的切削刀刃可以最佳地貼近工件輪廓，可使刀具達到較大的銑削行距，從而縮短加工時(shí)間。

????????與3軸聯(lián)動(dòng)銑削相比，5軸聯(lián)動(dòng)銑削工藝可以帶來(lái)工藝、幾何形狀和經(jīng)濟上的一系列的優(yōu)點(diǎn)。幾乎可以加工任意幾何形狀復雜的模具，而5軸加工的魅力還在于幾乎能在工件一次裝夾的情況下進(jìn)行全部加工，由此提高了模具的加工精度、工件表面質(zhì)量，并能縮短加工時(shí)間(免去了工件的搬運和換夾)。

????????純粹的3軸機床，在加工幾何形狀復雜的模具時(shí)，存在一定的困難。例如在加工模具較小的槽角半徑時(shí)，因為銑刀的刀尖半徑不允許大于模具的這個(gè)槽角半徑。而在加工較深的型腔時(shí)，又往往必須采用細長(cháng)的銑刀，這又會(huì )導致加工的不穩定性和比較差的表面質(zhì)量。

????????又如當3軸加工遇到較小的脫模斜度時(shí)，往往也是難于進(jìn)行銑削加工的。即使加工傾角較大的斜表面，也只能采用很多次較小的切削行距來(lái)切削這個(gè)表面。而采用5軸加工，銑刀相對這一表面以所需的角度在一次行程中便可切除表面上的材料。5軸銑削相對于3軸銑削既有優(yōu)點(diǎn)，也存有弊端(見(jiàn)圖4及表1)。而在加工非自由曲面時(shí)，采用3+2 軸加工具有較多的優(yōu)勢。

????????3+2軸定位加工

????????3+2軸的組合加工，通過(guò)擺動(dòng)和回轉軸將切削刀具固定在一個(gè)傾斜的位置來(lái)實(shí)現零件各部位的加工，即實(shí)現3+2軸定位加工。3+2軸雖然不能加工自由曲面，但是可以進(jìn)行復雜構件的5面加工，在大多數情況下，不需要對工件進(jìn)行2次甚至3次的換夾，這樣就不需要為多次裝夾去浪費時(shí)間。由此不僅提高了生產(chǎn)效率和加工精度，另外，還提升了機床加工的靈活性。顯然，采用這樣的5 軸機床(3+2軸)也是比較經(jīng)濟的，因為采購一臺新的5軸聯(lián)動(dòng)加工中心的費用，大多要比購置一臺配備有雙軸回轉工作臺的立式3軸加工中心的費用要高很多。此外，這種3+2軸的組合還具有另外一些優(yōu)點(diǎn)(表2)。

????????舉一個(gè)實(shí)例：對于純粹的5軸機床，第4和第5個(gè)軸多數是設置在工作臺上，由工作臺造成邊緣干擾的情況較多。這需要一個(gè)較高的工件夾具或采用較長(cháng)的刀具，但隨之而來(lái)的是機床工作穩定性的下滑，會(huì )引起振動(dòng)，最終降低了機床的加工精度和效率。要是工件是裝夾在附加的工作臺上，邊緣的干擾就明顯減少。由此就可采用不易產(chǎn)生振動(dòng)的短刀具。

????????3+2軸解決方案的其它優(yōu)點(diǎn)體現在移動(dòng)的部件質(zhì)量上。5軸機床必須加速和制動(dòng)整個(gè)機床工作臺和工件，而對于附加1個(gè)或2個(gè)軸只是裝有工件的回轉軸進(jìn)行移動(dòng)，就能明顯減少質(zhì)量，由此，也就降低了電能消耗。

????????近幾年來(lái)，5軸加工中心發(fā)展趨勢強勁，渦輪葉片、葉輪、成形?；蚱渌淖杂汕娴牧慵?，都需要5軸聯(lián)動(dòng)的加工中心。但是也有很多的不同的加工任務(wù)，5軸聯(lián)動(dòng)加工對于許多應用情況是沒(méi)有必要、且不經(jīng)濟的，因為所有在5軸加工中心上所進(jìn)行的加工90%是純粹的5面加工。而采用設置第4個(gè)和(如果必要)設置第5個(gè)軸的3軸立式加工中心則是高生產(chǎn)率的解決方案。也就是說(shuō)，采用安裝有擺動(dòng)和回轉軸的立式加工中心常常是經(jīng)濟、緊湊和柔性的加工方案。它能滿(mǎn)足采購費用、可接近性、作業(yè)面積和能源消耗等方面的要求。

????????在實(shí)際生產(chǎn)中，在3軸銑床上安裝雙軸回轉工作臺就成為一臺5軸加工中心(圖5)，利用這樣的3+2軸解決方案，與純粹的5軸機床相比，這種機床較容易實(shí)現工件的多面加工。如采用較大規格的工作臺，還可進(jìn)行多工件加工，具有較高的生產(chǎn)率。

????????5軸銑削是一種要求很高的加工，銑削的最終成果在很大程度上取決于機床、刀具、編程和控制系統相互的最佳配合。

????????5軸機床

????????根據擺動(dòng)和回轉軸的不同配置，可以組成各種不同類(lèi)型的5 軸加工機床。既可以是立式的，又可以是臥式的和立柱移動(dòng)式(可以有較大的工作空間)，也可以是龍門(mén)式(可適合于大件加工)的。而常見(jiàn)的是擺動(dòng)和回轉工件臺5軸機床，在擺動(dòng)軸的支座上常常設置一個(gè)回轉工作臺(也可以設置多個(gè)回轉工作臺，實(shí)現多軸加工，圖6)，這種機床適合于加工中小尺寸的工件，擺動(dòng)工作臺有采用雙面支承(圖6)，也有單面支承的(圖7)。

????????目前，隨著(zhù)直線(xiàn)電機和轉矩電機的廣泛應用，直接驅動(dòng)的5軸機床日益增多，這不僅使機床具有很高的加速度，并且也提高了機床的工作精度。采用5軸高速加工的銑床來(lái)加工零件就能在較短的時(shí)間里獲得很高的加工精度和表面質(zhì)量。

????????加工復雜形狀的模具，當新的CNC程序初次調試時(shí)特別要注意刀具與工件的碰撞。為此，GF阿奇夏米爾公司開(kāi)發(fā)的Mikron HPM 600U和HPM800U高效銑床就裝有機床主軸保護模塊(Machine Spindle Protection HPM)，利用這種系統就能避免主軸的損壞、使機床的幾何精度免受損失并減少了停機時(shí)間。

????????5軸高速加工中心的普遍特點(diǎn)是采用龍門(mén)式框架結構，以增強機床剛性，而機床床身則采用聚合物混凝土，由于這種材料具有較好的阻尼性能和較低的熱傳導率，而機床的熱穩定性對于確保加工的高精度是一個(gè)很重要的條件，為此，有些高精度加工中心則通過(guò)對所有介質(zhì)和構件(如軸驅動(dòng)裝置)冷卻過(guò)程的監控進(jìn)行機床內部的溫度調控，以確保加工中心極高、且十分穩定的加工精度。

????????5軸高速加工中心在價(jià)格上要比3軸加工中心高很多，根據德馬吉森精機DMC75V 系列的5軸加工中心與3軸加工中心進(jìn)行價(jià)格比較，5軸要比3軸的價(jià)格約高50%。5軸高速加工中心價(jià)格雖高，但這種高檔機床特別適合用來(lái)加工復雜幾何形狀的模具。5軸加工中心在加工較深、較陡的型腔時(shí)，可以通過(guò)工件或主軸頭的附加回轉和擺動(dòng)為立銑刀的加工創(chuàng )造最佳的工藝條件，并避免刀具及刀桿與型腔壁發(fā)生碰撞，減小刀具加工時(shí)的抖動(dòng)和刀具破損的危險，從而有利于提高模具的表面質(zhì)量、加工效率和刀具的壽命。

????????根據德國專(zhuān)門(mén)從事汽車(chē)發(fā)動(dòng)機箱體件和燃料容器等的模具制造廠(chǎng)家，Meissner公司的28臺銑削床中有14臺用于5軸聯(lián)動(dòng)加工，有較豐富的使用經(jīng)驗。由于5軸銑削的眾多優(yōu)點(diǎn)，像銑削用于砂型鑄造的成型模時(shí)，該公司采用5軸銑削要比以前采用的3軸銑削的成本大約降低了一半。

????????數控編程和數控系統

????????目前，數控編程基本上都是通過(guò)CAD/CAM 系統來(lái)實(shí)現的，事實(shí)上，如果使用合適的編程系統，可顯著(zhù)減少編程工作，且編程可靠。5軸銑削的編程并不會(huì )像3軸銑削的編程那樣費事，起碼不會(huì )那樣復雜。通常，利用CAD/CAM系統、3軸、3+2軸和5軸的銑刀路徑連同所選機床的運動(dòng)是可視的，也就是利用CAM 系統可以通過(guò)模擬仿真來(lái)檢驗生成的刀具軌跡的精度以及檢查加工過(guò)程中諸如刀具、工件、刀夾和機床主軸之間的可能的碰撞，還可檢驗加工代碼的正確性。

????????CNC控制系統是高速5 軸加工中心的重要組成部分，它在很大程度上決定著(zhù)機床加工的速度、精度和表面質(zhì)量。因此，對于加工模具自由曲面的高速機床，數控系統的性能具有特別重要的意義。

????????加工高精度自由曲面時(shí)，由微段直線(xiàn)和圓弧構成的刀具軌跡造成龐大的零件程序，這些數據流需要由機床控制系統來(lái)儲存和處理，因此程序段處理時(shí)間的長(cháng)短是決定CNC控制系統工作效率的重要指標。目前，高檔CNC控制系統的程序段處理時(shí)間一般可達0.5ms(如海德漢的iTNC530數控系統)，而有個(gè)別數控系統的程序段處理時(shí)間已縮短到0.2ms-0.4ms或更短。

????????應用于模具高速加工的現代CNC數控系統，除了具有為確保高速進(jìn)給速度所必要的很短程序處理時(shí)間外，還應具有Nurbs和樣條插補功能，并能以納米的分辨率進(jìn)行工作，以便在高速加工的情況下獲得高的加工精度和表面質(zhì)量。

????????目前，高檔的數控系統也都能與不同廠(chǎng)家的CAD/CAM系統進(jìn)行連接，數據從CAD/CAM系統經(jīng)以太網(wǎng)以很高的速度傳送到控制系統上。CAD/CAM集成到控制系統在很大程度上使模具復雜輪廓的加工獲得良好的效果，并對縮短調整時(shí)間和編程時(shí)間作出十分重要的貢獻。

????????刀具和刀夾

????????在模具加工中，主要采用精細顆粒整體硬質(zhì)合金刀具(球頭銑刀和有刀尖圓弧半徑的立銑刀)，大多數有硬涂層和特別的刀刃幾何角度。刀柄最大直徑16-20mm, 由于刀具通常較難接近工件輪廓，因此要采用細長(cháng)結構的夾頭?？紤]到細長(cháng)的結構和在高速銑削時(shí)必須的高回轉精度以及相應的平衡品質(zhì)，適合于模具加工的主要有兩種刀夾：熱脹冷縮夾頭(利用刀夾材料受熱膨脹和冷卻縮小的特性，來(lái)實(shí)現刀具的夾緊和進(jìn)行換刀)和應力鎖緊夾頭(如三棱應力鎖緊夾頭和液壓膨脹夾頭，這類(lèi)是依靠夾頭的機械變形來(lái)實(shí)現刀具的夾緊)。在銑削模具零件時(shí)，由于材料切除量并不大，徑向切削力較小，選擇這類(lèi)是合適的。

????????結語(yǔ)

????????5軸高速加工中心的開(kāi)發(fā)和工作性能不斷提高是模具制造業(yè)得以高效和高精度加工模具的重要前提, 是加工復雜模具的關(guān)鍵設備。采用直接驅動(dòng)的5軸加工中心, 能顯著(zhù)提高加工中心的行程速度、動(dòng)態(tài)性能和定位精度。5軸加工為構件的全加工創(chuàng )造了條件，從而可以減少準備時(shí)間、減少工件搬運、測量和工藝流程時(shí)間。對制造模具來(lái)說(shuō)，5軸聯(lián)動(dòng)銑削已成為模具加工的關(guān)鍵工藝。特別是5軸高速硬銑可以大大簡(jiǎn)化模具制造的整個(gè)生產(chǎn)工藝流程，提高模具的加工質(zhì)量、縮短模具制造時(shí)間和降低生產(chǎn)成本，從而大大提高模具制造企業(yè)的競爭力。