摘要：五軸聯動銑削可以優(yōu)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(fā)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軸加工方式可以最大限度加快走刀。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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)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(jié)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(fā)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(yōu)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?？梢愿鼮殪`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(fā)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(wěn)定性等方面入手優(yōu)化二者，如右圖所示。
球頭銑刀五軸銑削幾何運動關系圖
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(tǒng)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(fā)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(yōu)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(fā)生干涉。
限于技術發(fā)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(fā)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(qū)域，在各區(qū)域內盡可能最優(yōu)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(qū)域輪廓，雖然不能保證切削條件完全不變，但可以避免發(fā)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
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