1. 前言
所有制造商都面臨著提高運(yùn)營(yíng)效率的壓力。這意味著您將從生產(chǎn)設(shè)備和人員方面的投資中獲得更多收益。各種自動(dòng)化的手段已日益運(yùn)用廣泛，但對(duì)于許多車間而言，最重要的是要從已經(jīng)擁有的設(shè)備中獲得更多收益。
五軸加工對(duì)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(zhì)量的復(fù)雜零件，還能在單個(gè)裝夾中完成更多工作，以及完美加工出各種各樣的復(fù)雜3D形狀的工件?？傊?，運(yùn)用五軸加工中心，車間可以在減少總加工時(shí)間的同時(shí)獲得巨大的收益，同時(shí)提供更好的尺寸精度，表面光潔度和刀具壽命。
對(duì)于許多車間而言，五軸加工的局限性往往不在于設(shè)備，而是在于其有效生成零件加工程序（機(jī)床代碼）的能力，這些代碼將會(huì)對(duì)于當(dāng)今最新的加工中心和切削刀具是否能充分發(fā)揮硬件最佳性能起到?jīng)Q定性作用。但是隨著CAM軟件的進(jìn)步，并且如果車間愿意利用最新的編程技術(shù)，這些局限將不再存在。
2. 西門子NX CAM五軸加工技術(shù)的最新創(chuàng)新和高效應(yīng)用
西門子數(shù)字化工業(yè)軟件的CAD/CAM開(kāi)發(fā)人員已將其NX CAM軟件的五軸加工能力的持續(xù)開(kāi)發(fā)作為優(yōu)先事項(xiàng)，并且對(duì)于哪種策略可以最好地增強(qiáng)編程和加工過(guò)程還有許多話題可以進(jìn)行探討。無(wú)論您是進(jìn)行沖模/塑料模加工，航空航天，醫(yī)療，能源還是生產(chǎn)加工，您都可以在以下的這些五軸加工技術(shù)的最新創(chuàng)新和高效應(yīng)用中，能獲取到的更多收益。
2.1 導(dǎo)引曲線刀具路徑遵循表面拓?fù)湫螤钜垣@取更光順的曲面
圖1 引導(dǎo)曲線可在完全控制刀具路徑流動(dòng)的情況下將刀具路徑直接應(yīng)用于加工區(qū)域
引導(dǎo)曲線是NXCAM中的一種精加工操作，可讓您直接在加工區(qū)域上創(chuàng)建五軸刀具路徑，并完全控制刀具路徑的流動(dòng)，不再需要像之前一樣用舊的方法在CAD中創(chuàng)建投影的驅(qū)動(dòng)方式并找出刀具路徑投影到加工區(qū)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(gè)刀具軸之間插補(bǔ)、鎖定軸等等。當(dāng)?shù)毒呗窂綇囊粋€(gè)位置移動(dòng)到另一位置時(shí)，它還會(huì)自動(dòng)提供刀具路徑平滑過(guò)渡。
下面這一視頻展示了用于球頭立銑刀的基于“引導(dǎo)曲線”的五軸加工編程過(guò)程，包括曲線選擇，步距（表面殘留），刀具矢量，加工過(guò)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(zhǎng)的是在五軸加工中對(duì)彎曲和傾斜的表面進(jìn)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(shí)，NX CAM實(shí)現(xiàn)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(chuàng)新切削策略和錐度桶形刀，與傳統(tǒng)球頭立銑刀相比，可以將某些特征的加工時(shí)間減少多達(dá)70％。
下面提供視屏，展示了在此精加工測(cè)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(dòng)三至五軸傾斜的加工策略可避免刀柄碰撞
圖3 當(dāng)?shù)都芑蛑鬏S與相鄰表面碰撞時(shí)，自動(dòng)3軸至5軸傾斜可調(diào)整刀具矢量
五軸加工的一大優(yōu)勢(shì)是能夠使刀具傾斜遠(yuǎn)離型芯或型腔的側(cè)壁，從而避免刀柄或主軸發(fā)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(shí)減少振動(dòng)并改善表面質(zhì)量。對(duì)于具有深腔和精細(xì)特征的零件，這是一種理想的加工策略。通過(guò)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(duì)刀柄與相鄰曲面碰撞的情況自動(dòng)調(diào)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(jí)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(shí)間縮短了四倍。此外，減少的振動(dòng)有助于他們加工高質(zhì)量的表面光潔度。
2.4 多軸自適應(yīng)粗加工縮短了循環(huán)時(shí)間
無(wú)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(yīng)的粗加工循環(huán)。通過(guò)NX CAM多軸自適應(yīng)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(shí)間。使用自適應(yīng)銑削，總的機(jī)床加工時(shí)間得以顯著的的減少。
圖4 多軸自適應(yīng)粗加工具有較小的步距，但切削深度更大，可實(shí)現(xiàn)更快的進(jìn)給和更高的金屬去除率
通過(guò)自適應(yīng)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?yàn)楝F(xiàn)在切屑厚度比每個(gè)齒的中心線進(jìn)給小得多，所以可以大大提高進(jìn)給速度。這樣可以實(shí)現(xiàn)更輕便、快速的切削動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)更有效率的切削和更快的金屬去除率，從而可以減少多達(dá)60％的加工時(shí)間。它還會(huì)在切削區(qū)域產(chǎn)生更少的熱量和振動(dòng)，支持可靠的，可預(yù)測(cè)的刀具磨損估算。
下面這一個(gè)視屏，展示了使用了五軸自適應(yīng)銑削刀具路徑技術(shù)加工的Steel850-1100 N / mm2 。粗加工程序使用螺旋插補(bǔ)切入材料，然后進(jìn)行輕切削、快速切削，快速去除材料。
在5軸自適應(yīng)加工過(guò)程中起作用的關(guān)鍵是在整個(gè)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(huì)突然增加材料的嚙合，并導(dǎo)致刀具上的切削力達(dá)到峰值。切削力的這種快速變化會(huì)產(chǎn)生刀具振動(dòng)，從而導(dǎo)致表面光潔度差和刀具壽命大大縮短。通過(guò)自適應(yīng)銑削，刀具路徑在拐角處會(huì)自動(dòng)更改，以保持恒定的斷屑負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)更快、更順暢的切削。該技術(shù)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(shí)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(zhǎng)的、更可預(yù)測(cè)的刀具壽命。
2.5 葉輪銑削策縮短一半的加工時(shí)間
圖5 葉輪銑削簡(jiǎn)化了多葉片旋轉(zhuǎn)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(jiǎn)化了加工復(fù)雜的5軸多葉片旋轉(zhuǎn)零件（例如葉輪、整體葉盤、葉片和帶冠渦輪）的NC編程過(guò)程。NX CAM的葉輪銑削具有一套專門為這類零件設(shè)計(jì)的特定功能，能夠更快地創(chuàng)建優(yōu)化的零件加工程序，并顯著縮短周期時(shí)間，改善表面光潔度并延長(zhǎng)刀具壽命。
葉輪銑削的最新進(jìn)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(gè)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(dú)立控制，然后無(wú)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(duì)葉片進(jìn)行分段，以優(yōu)化葉輪表面區(qū)域的加工
錐度桶形刀具支持葉輪加工帶來(lái)的好處，與桶形刀具在模具和多面體零件加工中提供的優(yōu)勢(shì)相同。與用球鼻立銑刀進(jìn)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(jìn)行切線桶形刀具切削編程
自定義加工余量可讓您調(diào)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(guò)程中的余量去除。這種先進(jìn)的功能，用于有嚴(yán)格公差要求的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度加工，可以靈活補(bǔ)償薄葉片在切削過(guò)程中產(chǎn)生的變形。
圖8 自定義加工余量允許隨殘留材料余量進(jìn)行精確控制
2.6 車銑復(fù)合提供了更好的多任務(wù)機(jī)床的利用率
不是所有的五軸加工都在五軸加工中心上進(jìn)行，特別是對(duì)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(jìn)行五軸加工通常是在一次裝夾中加工復(fù)雜工件的最有效方法。
車銑復(fù)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(shù)。這些操作可以使用各種刀具（包括可轉(zhuǎn)位、整體、陶瓷、硬質(zhì)合金、球刀等刀具）完成。這使得車銑復(fù)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(fù)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(shù)
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(jī)器人來(lái)加工某些類型的零件。為什么？首先，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)更大工件的低成本加工，例如在飛機(jī)機(jī)翼或機(jī)身上鉆孔。機(jī)器人還能夠執(zhí)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(zhǔn)確性和質(zhì)量。這樣就可以在單個(gè)自動(dòng)化過(guò)程中進(jìn)行機(jī)械加工和精加工。在自動(dòng)化工作單元中，機(jī)器人既可以用于機(jī)械上下料裝夾，也可以用于機(jī)械加工，或者可以完全替代非常昂貴的機(jī)床。
但是，機(jī)器人是否有足夠的精度和足夠的剛性進(jìn)行實(shí)際加工操作？最新一代的機(jī)器人在這方面已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，能夠進(jìn)行精確的高強(qiáng)度加工，并且這項(xiàng)研究還在持續(xù)的開(kāi)發(fā)中。在一個(gè)項(xiàng)目中，西門子正在與慕尼黑工業(yè)大學(xué)合作，使機(jī)器達(dá)到非常高的精度（參見(jiàn)視頻）。利用稱為基于仿真的力補(bǔ)償?shù)臄?shù)字技術(shù)，他們已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)0.1mm的刀具路徑精度。隨著研究的不斷深入，機(jī)器人加工已準(zhǔn)備好服務(wù)于越來(lái)越多的應(yīng)用。
4. 小結(jié)
無(wú)論你是一個(gè)機(jī)加車間或生產(chǎn)線制造商，掌握五軸加工可以為您的業(yè)務(wù)提供戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)。你可以用更少的加工工序和裝夾來(lái)生產(chǎn)復(fù)雜的零件。在許多情況下，你可以減少加工時(shí)間和提高刀具壽命，同時(shí)提高零件質(zhì)量。你還可以削減生產(chǎn)成本，更快地交付零部件。
曾幾何時(shí)，充分利用多軸加工的投資可能會(huì)受到創(chuàng)建真正能發(fā)揮該設(shè)備加工效能的高效程序所需的時(shí)間和難度的嚴(yán)重限制。如今那個(gè)時(shí)代已經(jīng)過(guò)去了，利用今天最好的五軸加工技術(shù)——NX CAM，你可以實(shí)現(xiàn)五軸加工的全部承諾，其投入產(chǎn)出超過(guò)許多其他加工方法。
本文只對(duì)西門子NX CAM五軸加工技術(shù)做了一個(gè)簡(jiǎn)單的概述，其每一技術(shù)的詳細(xì)解讀將在西門子數(shù)字化工業(yè)軟件技術(shù)期刊的后續(xù)文章中進(jìn)行闡述，更多信息請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注西門子數(shù)字化工業(yè)軟件技術(shù)期刊和訪問(wèn)西門子NX CAM軟件。
