1. 前言
所有制造商都面臨著提高運營效率的壓力。這意味著您將從生產設備和人員方面的投資中獲得更多收益。各種自動化的手段已日益運用廣泛，但對于許多車間而言，最重要的是要從已經擁有的設備中獲得更多收益。
五軸加工對車間是獲得可觀收益的重要手段。它不僅僅能更快地加工更高質量的復雜零件，還能在單個裝夾中完成更多工作，以及完美加工出各種各樣的復雜3D形狀的工件。總之，運用五軸加工中心，車間可以在減少總加工時間的同時獲得巨大的收益，同時提供更好的尺寸精度，表面光潔度和刀具壽命。
對于許多車間而言，五軸加工的局限性往往不在于設備，而是在于其有效生成零件加工程序（機床代碼）的能力，這些代碼將會對于當今最新的加工中心和切削刀具是否能充分發揮硬件最佳性能起到決定性作用。但是隨著CAM軟件的進步，并且如果車間愿意利用最新的編程技術，這些局限將不再存在。
2. 西門子NX CAM五軸加工技術的最新創新和高效應用
西門子數字化工業軟件的CAD/CAM開發人員已將其NX CAM軟件的五軸加工能力的持續開發作為優先事項，并且對于哪種策略可以最好地增強編程和加工過程還有許多話題可以進行探討。無論您是進行沖模/塑料模加工，航空航天，醫療，能源還是生產加工，您都可以在以下的這些五軸加工技術的最新創新和高效應用中，能獲取到的更多收益。
2.1 導引曲線刀具路徑遵循表面拓撲形狀以獲取更光順的曲面
圖1 引導曲線可在完全控制刀具路徑流動的情況下將刀具路徑直接應用于加工區域
引導曲線是NXCAM中的一種精加工操作，可讓您直接在加工區域上創建五軸刀具路徑，并完全控制刀具路徑的流動，不再需要像之前一樣用舊的方法在CAD中創建投影的驅動方式并找出刀具路徑投影到加工區域的方向。您可以使用精確的刀具軸控制，判斷是否要保持垂直于曲面、在多個刀具軸之間插補、鎖定軸等等。當刀具路徑從一個位置移動到另一位置時，它還會自動提供刀具路徑平滑過渡。
下面這一視頻展示了用于球頭立銑刀的基于“引導曲線”的五軸加工編程過程，包括曲線選擇，步距（表面殘留），刀具矢量，加工過程仿真。
2.2 錐度桶形銑刀可更有效地塑造彎曲和傾斜的表面
圖2 與球頭立銑刀（右）相比，錐度桶形銑刀（左）可更有效地加工彎曲和傾斜的表面，且步距要大得多
錐度桶形切削刀具可用于多種加工操作，但它們真正擅長的是在五軸加工中對彎曲和傾斜的表面進行粗加工和精加工。由于桶形刀具的形狀，可以得到相同且通常更好的表面光潔度的同時，NX CAM實現了超大步距加工。另一方面，這種桶形銑刀的球形刀尖可以非常好地底部加工圓角半徑。采用創新切削策略和錐度桶形刀，與傳統球頭立銑刀相比，可以將某些特征的加工時間減少多達70％。
下面提供視屏，展示了在此精加工測試中與球頭立銑刀相比，使用桶形刀具的切削速度快了將近三倍。
2.3 自動三至五軸傾斜的加工策略可避免刀柄碰撞
圖3 當刀架或主軸與相鄰表面碰撞時，自動3軸至5軸傾斜可調整刀具矢量
五軸加工的一大優勢是能夠使刀具傾斜遠離型芯或型腔的側壁，從而避免刀柄或主軸發生碰撞，這將允許在加工中使用更短的刀具，從而獲得更具侵略性的加工刀路，同時減少振動并改善表面質量。對于具有深腔和精細特征的零件，這是一種理想的加工策略。通過這種CAM中的3到5軸傾斜加工策略，您可以在更熟悉的三軸模式下編程刀具路徑，然后NX CAM將針對刀柄與相鄰曲面碰撞的情況自動調整刀具矢量，最終獲得五軸加工的刀具路徑。
JK Machining是一家位于密歇根州的頂級模具制造商，它正在利用這種五軸切削方法，使用更短的刀具和更高的切削速度，JK的加工時間縮短了四倍。此外，減少的振動有助于他們加工高質量的表面光潔度。
2.4 多軸自適應粗加工縮短了循環時間
無論是處理模具型腔還是多面體形狀，去除材料最快的方法都是高速、自適應的粗加工循環。通過NX CAM多軸自適應加工，您可以更接近零件的半精加工形狀，從而可以顯著減少精加工所需時間。使用自適應銑削，總的機床加工時間得以顯著的的減少。
圖4 多軸自適應粗加工具有較小的步距，但切削深度更大，可實現更快的進給和更高的金屬去除率
通過自適應銑削，您可以將徑向切削寬度（步距）減小到小于刀具直徑的25％，但可以顯著增加軸向切削深度。因為現在切屑厚度比每個齒的中心線進給小得多，所以可以大大提高進給速度。這樣可以實現更輕便、快速的切削動作，實現更有效率的切削和更快的金屬去除率，從而可以減少多達60％的加工時間。它還會在切削區域產生更少的熱量和振動，支持可靠的，可預測的刀具磨損估算。
下面這一個視屏，展示了使用了五軸自適應銑削刀具路徑技術加工的Steel850-1100 N / mm2 。粗加工程序使用螺旋插補切入材料，然后進行輕切削、快速切削，快速去除材料。
在5軸自適應加工過程中起作用的關鍵是在整個粗加工程序中保持恒定的切削力。例如，將刀具切入拐角處會突然增加材料的嚙合，并導致刀具上的切削力達到峰值。切削力的這種快速變化會產生刀具振動，從而導致表面光潔度差和刀具壽命大大縮短。通過自適應銑削，刀具路徑在拐角處會自動更改，以保持恒定的斷屑負載，從而實現更快、更順暢的切削。該技術在粗加工模具鋼中的型芯和型腔以及在HRSA材料（例如鉻鎳鐵合金和鈦）的型腔加工時特別有益，使這些極難加工材料在加工中獲得極高的金屬去除率和更長的、更可預測的刀具壽命。
2.5 葉輪銑削策縮短一半的加工時間
圖5 葉輪銑削簡化了多葉片旋轉零件（例如葉輪、整體葉盤、葉片和帶冠渦輪）的加工編程
西門子NXCAM軟件的葉輪銑削簡化了加工復雜的5軸多葉片旋轉零件（例如葉輪、整體葉盤、葉片和帶冠渦輪）的NC編程過程。NX CAM的葉輪銑削具有一套專門為這類零件設計的特定功能，能夠更快地創建優化的零件加工程序，并顯著縮短周期時間，改善表面光潔度并延長刀具壽命。
葉輪銑削的最新進展包括：
多重切削層支持，可精確劃分葉輪和葉片上的表面的各個部分。多重切割層功能允許將葉片的刀具路徑分為頂部，中間和底部，這些部分可以獨立控制，然后無縫地混合在不同的切削操作之間。
圖6 葉輪加工的多重切削層支持允許對葉片進行分段，以優化葉輪表面區域的加工
錐度桶形刀具支持葉輪加工帶來的好處，與桶形刀具在模具和多面體零件加工中提供的優勢相同。與用球鼻立銑刀進行精加工相比，這些表面的加工速度可提高50％以上，并且具有更好的表面光潔度和刀具壽命。
圖7 使用NX CAM的葉輪銑削進行切線桶形刀具切削編程
自定義加工余量可讓您調整葉片上加工遺留下的余量，以精確控制在半精加工或最終精加工過程中的余量去除。這種先進的功能，用于有嚴格公差要求的航空發動機制造商，能夠實現高精度加工，可以靈活補償薄葉片在切削過程中產生的變形。
圖8 自定義加工余量允許隨殘留材料余量進行精確控制
2.6 車銑復合提供了更好的多任務機床的利用率
不是所有的五軸加工都在五軸加工中心上進行，特別是對于較大的圓形外殼、軸和其他難以加工的零件，在車銑中心進行五軸加工通常是在一次裝夾中加工復雜工件的最有效方法。
車銑復合是一種用于加工具有特殊模型特征的圓形或圓錐形表面的出色技術。這些操作可以使用各種刀具（包括可轉位、整體、陶瓷、硬質合金、球刀等刀具）完成。這使得車銑復合成為粗加工和精加工的理想解決方案，并具有良好的表面公差和精度。
圖9車銑復合是一種用于加工具有特殊模型特征的圓形或圓錐形表面的出色技術
3. 多軸加工的下一步是什么？
一種新興的替代方法是使用機器人來加工某些類型的零件。為什么？首先，機器人可以實現更大工件的低成本加工，例如在飛機機翼或機身上鉆孔。機器人還能夠執行加工后的操作（例如拋光和去毛刺），而這些操作原本需要人工完成，并且還提高了這些操作的準確性和質量。這樣就可以在單個自動化過程中進行機械加工和精加工。在自動化工作單元中，機器人既可以用于機械上下料裝夾，也可以用于機械加工，或者可以完全替代非常昂貴的機床。
但是，機器人是否有足夠的精度和足夠的剛性進行實際加工操作？最新一代的機器人在這方面已經取得了長足的進步，能夠進行精確的高強度加工，并且這項研究還在持續的開發中。在一個項目中，西門子正在與慕尼黑工業大學合作，使機器達到非常高的精度（參見視頻）。利用稱為基于仿真的力補償的數字技術，他們已經能夠實現0.1mm的刀具路徑精度。隨著研究的不斷深入，機器人加工已準備好服務于越來越多的應用。
4. 小結
無論你是一個機加車間或生產線制造商，掌握五軸加工可以為您的業務提供戰略優勢。你可以用更少的加工工序和裝夾來生產復雜的零件。在許多情況下，你可以減少加工時間和提高刀具壽命，同時提高零件質量。你還可以削減生產成本，更快地交付零部件。
曾幾何時，充分利用多軸加工的投資可能會受到創建真正能發揮該設備加工效能的高效程序所需的時間和難度的嚴重限制。如今那個時代已經過去了，利用今天最好的五軸加工技術——NX CAM，你可以實現五軸加工的全部承諾，其投入產出超過許多其他加工方法。
本文只對西門子NX CAM五軸加工技術做了一個簡單的概述，其每一技術的詳細解讀將在西門子數字化工業軟件技術期刊的后續文章中進行闡述，更多信息請繼續關注西門子數字化工業軟件技術期刊和訪問西門子NX CAM軟件。
