五軸加工技術(shù)在汽車模具制造中的應(yīng)用
2021-8-25 來源：陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：韓佳
摘要：現(xiàn)代汽車模具加工制造工藝要求的提升，促使三軸加工技術(shù)已經(jīng)逐漸無法適應(yīng)當(dāng)前汽車模具制造領(lǐng)域的發(fā)展。為論證汽車模具制造主要加工技術(shù)的發(fā)展方向和技術(shù)要點(diǎn)，本文以五軸加工技術(shù)在汽車模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用情況為例，對五軸加工技術(shù)在汽車模具制造領(lǐng)域的加工優(yōu)勢與前景進(jìn)行分析，綜合闡述了五軸加工更精確、更高效的工藝特征，對該技術(shù)在具體的汽車模具加工工況場景也進(jìn)行了詳細(xì)解讀。
關(guān)鍵詞：五軸加工技術(shù)；汽車模具；加工制造
0 引言
汽車模具制造是制定汽車最基礎(chǔ)的也是必經(jīng)的工序，同時也是驗(yàn)證汽車美觀與否和設(shè)計(jì)是否合理的基礎(chǔ)。因此，汽車模具的制造在汽車生產(chǎn)中占有非常重要的地位?，F(xiàn)階段，在汽車模具的制造中 CAM 軟件和 CAD 技術(shù)是最常用的基礎(chǔ)制造手段，數(shù)控加工技術(shù)主要應(yīng)用于需要把握精準(zhǔn)度方面的加工上[1]。五軸加工技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢在汽車模具制造中占有一席之地。
1、 概述
1.1 五軸加工技術(shù)的概念
五軸加工技術(shù)是數(shù)控機(jī)床加工的一種模式。如圖 1 所示該技術(shù)將機(jī)床設(shè)置成 5 個坐標(biāo)軸，五軸即 X、Y、Z 三個移動軸，加上 2 個任意旋轉(zhuǎn)軸。O、P、Q 分別是 3 個移動軸的旋轉(zhuǎn)軸，與三軸加工技術(shù)相比，五軸加工技術(shù)增加了兩個任意旋轉(zhuǎn)的軸（O、P、Q 軸）。
圖 1 五軸坐標(biāo)圖
1.2 五軸刀軸控制技術(shù)
汽車加工工藝復(fù)雜程度提升體現(xiàn)在多方面，其中汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)與形狀復(fù)雜程度的提升是對三軸數(shù)控機(jī)床加工工藝要求提升最為顯著的加工場景之一。針對該加工場景，多數(shù)企業(yè)采用五軸替換三軸的方法進(jìn)行加工工藝優(yōu)化，同時在實(shí)際的加工過程中將會充分考慮程序與刀頭、機(jī)床主軸之間的協(xié)調(diào)性與銜接性，全面避免汽車覆蓋件模具加工中主軸干涉等情況的發(fā)生[2]。五軸數(shù)控機(jī)床刀具軸控制方法通常分為六大類：①遠(yuǎn)離點(diǎn)或指向點(diǎn)控制刀具軸——采用聚焦一個點(diǎn)的方法定義刀具軸；②遠(yuǎn)離線或指向線控制刀具軸——用聚焦一條線的方法定義刀具軸，同時需要保證該直線處于垂直狀態(tài)；③垂直于驅(qū)動面控制刀具軸，保證所有驅(qū)動點(diǎn)刀軸與驅(qū)動面之間的關(guān)系始終處于垂直狀態(tài)，且此時球頭銑刀的球心為 0；④相對于驅(qū)動面控制刀具軸，保證所有驅(qū)動點(diǎn)刀軸與驅(qū)動面之間的關(guān)系為一定的夾角關(guān)系；⑤直紋面驅(qū)動控制刀具軸，使用保持刀具軸與驅(qū)動幾何之間的關(guān)系為平行關(guān)系，利用直紋曲面
控制刀具軸的驅(qū)動軌跡[3]。
2、 五軸加工技術(shù)的優(yōu)勢與應(yīng)用分析
2.1 五軸加工技術(shù)的優(yōu)勢
在進(jìn)行復(fù)雜模具表面加工工藝環(huán)節(jié)，五軸加工與三軸加工相比，更多采用平底端銑刀與加工表面始終保持垂直狀態(tài)的加工工藝，能夠大幅降低三軸加工過程中的消耗的時間成本。如前文所述，五軸加工中心同樣適用一定角度的側(cè)面銑削加工，因而能夠消除一般三軸加工工藝中球端立銑刀加工造成的肋骨狀紋路。既降低了加工時間，又提升了模具表面質(zhì)量。
五軸加工技術(shù)由于比三軸加工技術(shù)具備更為廣泛的工件加工角度，因而能夠避免三軸加工過程中必須多次調(diào)試裝卡等問題，大大降低了人工消耗以及時間成本。同時，在有效避免了在刀具調(diào)整過程中所形成的加工誤差，機(jī)床又能夠進(jìn)行更加復(fù)雜的零件或表面加工。
五軸加工與一般三軸加工相比，所使用的刀具尺寸更短，能夠一次性將整個零件全部加工完成無需對零件進(jìn)行二次或多次裝卡，短期內(nèi)獲得的加工效率大幅提升，零件的表面質(zhì)量也更好。
2.2 五軸加工技術(shù)的應(yīng)用
五軸加工技術(shù)的高效工作主要體現(xiàn)在以下三個方面：①大部分零件只需要安裝一次就可以全部進(jìn)行加工；②加工時間短，部分位置的加工精度高；③各零部件在進(jìn)行生產(chǎn)時需要先進(jìn)行形狀分析，再進(jìn)行刀具選擇，這樣減少磨具的生產(chǎn)周期。如表 1 所示為汽車模具零件編程分析。
表 1 汽車模具零件編程分析
由表 1 可知三軸加工技術(shù)比五軸加工技術(shù)耗時更多，三軸加工技術(shù)需要多次安裝刀具進(jìn)行切割，而五軸加工技術(shù)只需安裝一次刀具即可，它是根據(jù)零件與刀具的角度來進(jìn)行工作的，提高了生產(chǎn)效率，降低的了消耗。五軸加工技術(shù)是利用刀具的高速旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)切削的目的，能夠避免三軸加工過程中必須多次調(diào)試裝卡等問題，大大降低了人工消耗以及時間成本，大幅度提升了工作效率。
3、 五軸加工技術(shù)在汽車模具制造中的應(yīng)用
CAD 系統(tǒng)在汽車零件制造領(lǐng)域占有重要的地位，各項(xiàng)零件的設(shè)計(jì)加工都需要借助 CAD 系統(tǒng)來完成，而 CAM軟件是加工模具復(fù)雜表面的工具[4]。在汽車模具的加工制造中數(shù)控技術(shù)是確保設(shè)計(jì)和加工的精度的，而汽車模具質(zhì)量與五軸加工技術(shù)之間有一定的關(guān)系，如圖 2 所示為五軸加工技術(shù)在汽車模具制造中的應(yīng)用范圍。
圖 2 五軸加工技術(shù)在汽車模具制造中的應(yīng)用范圍
3.1 深腔模具的加工
常用的深腔模具加工主要有三軸、五軸加工技術(shù)，二者有一定的相同之處，同時也存在效果上的差異。在進(jìn)行汽車模具制造時，要在三軸加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用五軸加工技術(shù)的深、陡進(jìn)行模具加工。刀具長度的適當(dāng)伸縮可以為模具創(chuàng)造出良好的工藝基礎(chǔ)，同時工件和主軸頭的移動、旋轉(zhuǎn)，能夠有效減少刀具同刀桿以及型腔壁之間產(chǎn)生碰撞。而碰撞的減少可以有效的提高刀具的使用壽命，同時可以減少在模具制造過程中表面的粗糙，提高模具的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
3.2 模具側(cè)壁的加工
在汽車模具的制造過程中，模具的側(cè)壁受刀具長度的影響較大，一般來說側(cè)壁深度要比刀具長度小。如果刀具過長，那汽車模具的強(qiáng)度就會降低，刀具過長容易出現(xiàn)讓刀現(xiàn)象，則汽車模具的質(zhì)量會產(chǎn)生下降[5]。而五軸加工技術(shù)的工作原理與傳統(tǒng)的制造原理不同，它是通過主軸（或工件）的擺動來控制模具側(cè)壁與刀具的距離。五軸加工技術(shù)在工作時，是使用平面銑刀對側(cè)壁進(jìn)行切割的，這種工作方式可以提高汽車模具的生產(chǎn)質(zhì)量，同時還可以減少刀具的磨損延長其使用時間。
3.3 模具較平的曲面加工
五軸加工技術(shù)在進(jìn)行曲面加工時與三軸加工技術(shù)不同，三軸加工技術(shù)需用球刀精銑，這道工藝可以提高模具表面質(zhì)量，但是需要增加刀路。刀路的增加會加大刀具的磨損，減少其使用時間，在一定程度生會增加公司投入成本。五軸加工技術(shù)在三軸加工技術(shù)上做了改進(jìn)，可以有效避免三軸加工技術(shù)的缺點(diǎn)。五軸加工技術(shù)在進(jìn)行加工作業(yè)時，需要先將刀具與工件對好角度再進(jìn)行作業(yè)，這樣一來可以提高工件與球頭刀之間的相對線速，增加刀具的使用壽命，減少企業(yè)資金投入，同時還可以使產(chǎn)品的加工效果更上一層樓。
3.4 斜面斜孔的加工
斜面斜孔的加工比較困難，孔位定位不準(zhǔn)確就會產(chǎn)生偏差，因此斜面斜孔需要精準(zhǔn)的定位。五軸加工技術(shù)利用搖擺的機(jī)床擺頭在工件垂直的方向放置主軸，可以對孔位作出精準(zhǔn)定位。
4、結(jié)語
在汽車模具制造中，五軸加工技術(shù)明顯比三軸加工技術(shù)更適合。五軸加工技術(shù)可以有效減少模具制造過程中表面的粗糙，提升汽車模具的質(zhì)量和工藝水平；使用平面銑刀進(jìn)行切割工作可以有效減少刀具磨損，增加刀具的使用壽命，從而有效的為企業(yè)節(jié)約成本；最主要的是五軸加工技術(shù)制造出來的汽車模具無論在質(zhì)量還是工藝水平上來說，都高于三軸加工技術(shù)。因此，五軸加工技術(shù)比較適合應(yīng)用于汽車模具制造中，將會促進(jìn)汽車模具制造的發(fā)展。
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