五轴加工中心在模具加工中的优势应用点分析

黎宇弘

（广东省智能制造研究所，广东 广州 510070）

伴随着对消费品的多品类、高质量、快速更迭的需求，作为产品批量生产之母的模具，在其自身加工制造的精度与效率方面受到了挑战。由于市场需求的推动，模具加工所采用的机床也逐渐从传统的三轴加工中心向五轴加工中心过度。因此，在模具加工中发挥五轴加工中心的加工优势，对提高模具生产的精度与效率，具有现实意义。

1 五轴加工中心概述

1.1 概念

五轴加工中心通常由三个相互正交的直线运动轴与两个相互正交的旋转轴联动，在产生进给运动的同时实时改变工件坐标系中刀具轴线的方向。其常用于具有较为复杂的曲面结构的模具加工中，以此加工的模具通常具有更高的加工精度与表面质量。另外，五轴加工中心在航空航天、军事装备、汽车零件、生物植入体等具有空间曲面结构的高精度零件制造过程中发挥着重要的作用，尤其在叶轮、螺旋桨、异形转子、曲轴等零件的一体化加工中，五轴加工中心起到了不可替代的作用。

1.2 功能特点

旋转刀具中心点功能，又称RTCP功能，是通过机床旋转轴运动与平移轴运动联动插补，实现加工时刀具轴线绕刀具中心点旋转的功能。RTCP功能也可以解释为对机床的旋转运动造成的刀具中心相对于工件坐标系的平动的补偿。RTCP功能主要的实现原理是让数控系统根据五轴机床的结构、刀具的长度和工件的位置，计算在工件坐标系下刀具中心相对于每一个旋转轴的摆长；然后根据刀具的摆长和旋转运动，计算工件坐标下的补偿平动运动；最终对补偿值进行坐标旋转，从工件坐标系旋转为机床坐标系，得到机床坐标系下平移轴的补偿平动运动。在工业应用中，该技术也被称为“刀尖编程”，其实这只是应用了RTCP功能的结果。采用刀尖编程的优势在于，只要使用同一品牌具有RTCP功能的数控系统，其编制的加工程序可以无需顾及各异的机床结构运行于各台机床。

表面优化压缩功能，是数控系统根据机床设定的公差范围，通过预读一定数量的加工程序段，对该程序段的G1直线指令包含的五轴坐标进行多项式样条拟合，将机床实际的运动从小步距的直线插补转化为大步距的样条插补，实现机床各轴速度和加速度的优化控制的功能。复杂自由曲面五轴加工程序通常由许多步距非常小的G1插补指令组成，每一个G1指令都包含刀具中心点的X、Y、Z位置坐标以及刀具轴线的方向。由于这些控制点坐标及其对应的刀具方向坐标，只是由理论曲面计算得出，难以考虑机床的结构以及机床实际可能的运动状况，因此，五轴加工程序可能造成机床旋转轴或平移轴在某些加工位置频繁加减速，导致机床产生严重的震动与进给速度不稳定，严重降低工件的表面质量。采用表面优化压缩功能，则可使机床根据自身结构与性能优化加工轨迹，提高工件表面质量，而且由于机床各轴的速度和加速度得到优化控制，加工速度也会获得大幅提升。

1.3 应用方式与优势

五轴加工中心根据使用时联动轴数量，分为两种常用使用方式：3+2五轴定向加工与五轴联动加工，联动轴的数量深刻影响着切削时机床的刚度、总体精度以及刀具自由度。3+2五轴定向加工方式是指平动轴联动旋转轴锁定的加工方式。这种方式通常用于斜平面的切削、斜孔钻铣或者曲率变化较小的自由曲面加工等。其优势在于可以使倾斜的几何特征旋转为水平或垂直的特征，极大地简化了加工工艺，提高加工效率；并且伴随旋转轴的锁定，机床本身得以保持更大的刚性，从而可以选择更高效率的切削参数，也避免了旋转轴联动运动时，运动误差的叠加。五轴联动加工方式是指平动轴与旋转轴联动的加工方式。这种方式通常用复杂自由曲面的加工，尤其是回转型曲面工件加工，其优势在于实现了该类零件的一体化加工，加工过程可以实现一次装夹，大大节约了加工时间，提高了加工的精度，保证回转型零件的同轴性。

2 五轴加工中心在模具加工中的优势应用点

2.1 模具侧壁的加工

为了便于产品脱模，模具模腔侧壁通常设计为具有一定斜度的平面。使用传统的三轴加工中心加工通常有两种办法进行加工：一种采用球形或环形的刀具，将斜面与曲面等效处理，这种加工方式刀具与工件为点接触，加工的效率非常低下；另一种采用定制斜度的锥形刀具，利用刀具侧刃进行高带宽切削，这种加工方式刀具只适用一个斜度的斜面加工，并且因为刀具长度较长、端部变细，导致刀具刚性较差，加工效果不一致。使用五轴联动加工中心加工模具侧壁，对于凸形模具侧壁，可以通过改变刀具的轴向，使刀具的轴线与模具侧壁相互垂直，利用盘形铣刀或直径较大的平头铣刀进行端铣，以获得更好的加工质量。对于凹形模具侧壁，则无需采用定制斜度的锥形刀具，可直接使用通用的圆柱形球头或环形刀具，通过刀具轴向的倾斜实现侧刃铣削，在大幅降低刀具成本的同时，也减少了刀具的更换提高效率。

2.2 模具曲面的加工

模具的曲面部分加工，是模具加工中最为耗费时间与成本的。使用三轴加工中心加工模具的曲面，主要是利用球头铣刀的球形端部进行切削。球头铣刀具有确定的球心以及半径，使自由曲面的加工切削点计算简化，刀具轨迹计算效率得以提升。在曲面曲率、曲面法向变化较大的曲面加工中，刀具切削的工作点产生大幅变化，但在一定的主轴转速下，球头铣刀其球头上各个点由于其相对于旋转轴的半径不同，切削线速度相差甚远，加工后的曲面表面质量一致性较差。如果加工的曲面存在法向量与刀具轴线平行的点，则采用球头铣刀加工该点时切削速度为零。这意味着刀具在加工该点及该点附近的位置时，主要是依靠挤压而非切削实现加工。这种加工状态不仅会对机床和刀具产生较大的损伤，曲面的加工质量也无法满足需求。使用五轴联动加工中心加工模具曲面，对于凸形曲面可采用刀具圆柱面进行侧刃加工，相比于端部切削，侧刃切削方式可以增加刀具与工件的接触带宽，提高切削效率。对于凹形的曲面可采用环形刀具代替球形刀具进行加工。环形刀具与球形刀具都具有法向自适应性，但环形刀具的优势在于环面轴向曲率半径与刀具直径不相关，加工小曲率半径区域时，环形刀具的刚性更优。对于环形刀具的环面上各点，其旋转半径的变化较小，加工的表面质量一致性更优秀。通过刀具轴线的变换，可以避免环形刀具端部平面对曲面的过切，使环形刀具更适用于模具曲面的加工，提高加工质量。

2.3 模具曲面微细结构雕刻

为了产品的美观与功能，越来越多产品的表面上会增加花纹、标志等，而在模具上进行微细结构的雕刻十分困难。使用三轴加工中心与锥形尖端雕刻刀，只能对模具水平平面或较为平缓的水平曲面进行微细结构雕刻。这种加工方式由于刀具尖端线速度非常低、刀具尖端脆弱易断，加工效率低而且可加工的部位受限。使用五轴联动加工中心加工模具曲面微细结构则可以配合单刃铣刀，甚至利用平头铣刀的尖角部分，通过刀具轴线伴随曲面法向改变的加工姿态与路径，对模具任意曲面进行微细雕刻，并能使加工的微细结构服从曲面法向的变化，达到优秀的加工精度与质量。

3 结语

在模具的数控加工工序中，与传统的三轴加工中心相比，五轴加工中心不仅能够完成更高精度、更高质量的加工作业，而且能够更合理利用刀具、延长刀具的使用寿命与减少使用的刀具类型。并且使用五轴加工中心能大幅简化使用三轴加工中心难以完成的加工任务。五轴加工作为一种先进的加工方式，如何进行利用，以提升模具加工过程中的精度与效率，仍具有持续探讨的价值。