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五軸數控銑床的功能和應用

文章出處:五金加工責任編輯:yaxun88作者:數控廠家人氣: 發表時間:2021-09-18 16:44 字體大小:【

5軸銑床可以做什么?

這聽起來可能很奇怪,但如果文藝復興時期的藝術家用錘子和鑿子換來了數控 (CNC) 和銑床,那么今天我們就會有成千上萬的大衛雕像,由各種材料制成。

如果您仍然懷疑五軸銑削是一種真正的藝術形式,請點擊此處或此處。

無論您是用大理石雕刻杰作還是用鈦銑削葉盤 - 基本原理都是一樣的:您從一塊材料開始,然后去除多余的部分,直到只剩下目標對象。當然,這個過程的細節要復雜得多,尤其是5軸銑削。
五軸數控銑削

什么是五軸數控銑削?

簡而言之,在 5 軸銑削中,物體或銑刀通過 CNC 控制沿五個不同的軸同時移動。這使得能夠加工非常復雜的零件,這就是為什么 5 軸技術特別在航空航天工業中證明了自己的原因。

然而,這并不是 5 軸技術普及的唯一原因。其他因素是:

1 ,趨向于單一設置對象處理(有時稱為“done-in-one”)以減少周轉時間并提高效率
2 ,通過以受控方式傾斜銑削元件或銑削臺來防止工作中發生事故的可能性,這也使加工過程與各個物體的幾何形狀更好地協調
3 ,通過確保最佳切削位置和恒定金屬去除率,作為銑削元件或銑床的上述傾斜功能的副作用的刀具壽命和刀具循環的優化

5軸加工過程中的軸呢?

我們都知道牛頓和蘋果??的故事,但有一個同樣出身可疑的數學家和哲學家勒內·笛卡爾的故事。
笛卡爾正在床上(就像數學家和哲學家一樣),當他注意到一只蒼蠅在他的房間里嗡嗡作響時。他意識到他可以只用三個數字來描述蒼蠅在房間三維空間中的位置,分別用變量 X、Y 和 Z 表示。

這是笛卡爾死后三個多世紀至今仍在使用的笛卡爾坐標系。 X、Y 和 Z 因此涵蓋了 5 軸加工過程的五個軸中的三個。

五軸數控銑削技術
但是另外兩個軸呢?

想象一下放大笛卡爾的飛行中途。我們不僅可以將它們的位置描述為三維空間中的一個點,還可以描述它們的方向。當蒼蠅改變方向時,它的改變方式與飛機傾斜以進行機動的方式相同。第四個軸 A 將其圍繞自身軸的橫向旋轉描述為圍繞 X 的旋轉軸(技術術語稱為“滾動”)。
根據飛機比較,向上或向下飛行的垂直傾斜度由第五個軸 B 描述為圍繞 Y 的旋轉軸(技術術語稱為“點頭”)。

細心的讀者無疑會推斷出存在繞 Z 軸旋轉的第六軸 C。在我們的示例中,這是向左或向右的水平旋轉(技術術語稱為“偏航”)。

如果您難以想象上述六個軸,下圖應作為指導:

軸 A、B 和 C 按字母順序排列,以匹配相應排列的軸 X、Y 和 Z。盡管有 6 軸 CNC 機床,例如龍門銑床 Zimmermann FZ 100,但 5 軸配置更為常見,因為第六軸通常幾乎沒有任何額外用途。

關于軸指定約定的最后說明:在立式加工中心中,X 軸和 Y 軸對應于水平面,而 Z 軸對應于垂直面。在臥式加工中心,Z 軸和 Y 軸互換。見下圖:

 5 軸配置

5 軸銑床的具體配置決定了它使用三個旋轉軸中的哪一個。

所以z。 B. A 軸(繞 X 軸旋轉)和 C 軸(繞 Z 軸旋轉)的轉臺機床,而 B 軸(繞 Y 軸旋轉)的旋轉頭機床) 和 C 軸(繞 Z 軸旋轉)正在工作。

Okuma MU-4000V 5 軸立式加工中心的旋轉工作臺內部視圖


轉臺機器中的旋轉軸通過工作臺的運動來操作,而旋轉頭機器通過旋轉主軸來操作其旋轉軸。這兩種類型都有自己的優勢。例如,轉臺機器提供更大的處理室,因為轉軸不需要很大的空間。另一方面,旋轉頭機器也可以加工較重的零件,因為工作臺始終是水平的。
五軸數控銑床

需要多少軸?

您可能聽說過具有七軸、九軸甚至十一軸的加工中心。盡管如此多的附加軸似乎難以想象,但對如此驚人數字的解釋實際上非常簡單。

“當你處理機器時,例如例如,擁有多個車削主軸會增加軸的數量,”馬扎克美國工業應用高級工程師 Mike Finn 解釋說。

“例如,我們的機床帶有一個附加的第二主軸和較低的刀塔。對于這些機器,您有多個軸:上轉塔有 4 個軸,下轉塔有 2 個軸,然后您有兩個相對的主軸,它們也有 2 個軸。這種機器最多可以有 9 個軸,”Finn 繼續說道。
“您制造的零件仍然是 5 軸零件,” Okuma America 的產品專家兼銷售經理 Wade Anderson 補充道。

“在我們的立式加工中心 MU-5000(一臺 5 軸機床)上可以輕松制造用于航空航天工業的組件,例如 B. 閥門。我們還可以在帶有 B 旋轉軸的多軸機床上加工該零件,并且兩個主軸分別用于兩個 C 軸,加上標準的 X、Y 和 Z 軸。還有下刀塔,它為您提供了第二個 X 和 Z 軸。因此有更多的加工軸可用,但零件本身將有相同的幾何形狀,”安德森說。


那么真正需要多少軸呢?

正如制造業中經常遇到的情況一樣,這個問題的答案取決于特定的應用。芬恩舉了以下例子:
“渦輪葉片是一個自由曲面,可能非常復雜。加工此類物體的最有效方法是 5 軸加工,其中刀具圍繞渦輪葉片的輪廓以螺旋形引導。通過將刀片固定在某個位置,然后沿三個線性軸加工表面,可以進行 3 軸加工,但這通常不是最有效的方法。 ”
Anderson 表示同意:“您需要 3、4 或 5 軸配置,這取決于相應組件的幾何形狀。”
但是,重要的是要注意所需的軸數取決于超出要直接處理的對象的方面。目標是主要因素,但它也與每個客戶的長期需求和目標有關,”安德森說。

“客戶可以向我展示一個零件,例如用于航空航天技術的鈦支架,我可以說,'這是 5 軸加工中心的完美零件',但客戶可能已經計劃在我們的一臺 MULTUS U 機器可以更好地處理未來。就當前部件而言,這款多功能機床可能不如 5 軸加工中心最適合,但它為客戶提供了車削、軸或卡盤加工的可能性,這些加工也可應用于未來的部件。 ”

“要考慮的另一個方面是處理室的尺寸,”芬恩補充道。 “在不影響刀具和位置變化的情況下,您可以插入機器的物體的最大尺寸是多少?這是關于了解系統什么是可能的,什么是不可能的。 ”


五軸加工的優勢是什么?

在 3 軸加工和 5 軸加工之間進行選擇有點像在 MacDonald 的四分之一磅和 T 骨牛排之間做出選擇;如果您只關心成本,那么第一個選項顯然是更好的選擇。

但是,如果將 5 軸加工與 3 + 2 軸加工進行比較,則決策要困難得多。

5 軸 vs 3 + 2 軸
為了理解主題,重要的是要了解 5 軸加工和 3 + 2 軸加工之間的區別。前者 - 也稱為連續或同步 5 軸加工,伴隨著沿所有五個軸對刀具對齊的連續調整,以保持切割噴嘴與工件的最佳垂直。
使用 DMG MORI DMU50 在所有 5 個軸上生產的由 6010 鋁制成的演示組件。處理時間:13分鐘。

另一方面,對于后者 - 也稱為 5 面或 3 + 2 軸加工 - 執行 3 軸程序,其中銑刀固定在由兩個旋轉軸確定的角度。如果刀具在切削之間沿旋轉軸重新對齊,則該過程稱為“5 軸分度”;然而,它仍然是3+2軸加工工藝之一。

3 + 2 軸演示組件,由 6010 鋁制成,在 DMG MORI DMU50 上生產。處理時間:7分鐘。

與 5 軸分度加工相比,5 軸連續加工的主要優勢在于速度,因為后者每次重新調整刀具時都必須停止,而前者則不需要。

然而,原則上,兩種變體都可以實現相同的結果。 (不同意的讀者歡迎在文章下方的評論部分分享他們只能使用連續 5 軸技術加工的零件的示例。)

還應該提到的是,速度優勢是以工具活動增加為代價的,這與磨損增加和碰撞檢測需求增加有關。 這就是為什么從操作的角度來看連續 5 軸加工更具挑戰性的原因之一。


5 軸加工與 3D 打印

3D 打印或增材制造或衍生式制造 - 目前是生產領域的熱門話題,尤其是在與減材制造工藝(如 5 軸加工)的比較方面。

雖然有時有人認為這兩種方法是相互競爭的——尤其是那些聲稱 3D 技術將很快顛覆整個制造業的鐵桿 3D 粉絲——但從更溫和的角度來看,加法和減法制造工藝出現而不是相互補充的技術。
“我認為增材制造不會完全接管制造業,但我認為它提供了制造過去無法制造的零件的機會,”芬恩說。 “仍有許多零件需要減材加工。例如,圓度公差非常低的零件。 ”

Finn 補充說:“可以毫無問題地將元件制成近凈形狀,但該元件仍需重新加工以達到足夠的公差。”

這是否意味著制造的未來在于由 3D 打印和 5 軸 CNC 組成的混合生產系統——也許帶有內置坐標測量機來檢查尺寸?

Anderson 不確定:“3D 打印在實驗室環境之外的真正應用不是擁有組合系統,而是例如 LMD 系統(激光金屬沉積;德語:激光金屬沉積)和同時具有旋轉或銑床的機器兩者都做他們最擅長的事情,并將兩個單元與自動化結合起來。 ”
兩個獨立系統背后的要點是更好的粉末和切屑管理。
“在 LMD 設備上制造 30 磅重的零件所需的粉末量可能是 150-300 磅的鈦,”安德森說。 “當將其放入一臺結合了所有功能的機器中時,幾乎不可能回收和再利用粉末。”
換句話說:3D 打印和 5 軸加工相互之間的競爭較少,而相互之間是互補的。 “我認為增材制造可以極大地減少制造過程中的粗加工數量,”Finn 總結道。


如何充分利用 5 軸加工

5軸技術的優勢沒有得到充分利用的情況并不少見。
安德森同意:“這傷透了我們這樣的公司的心:當我們看到一家公司在購買系統時全力以赴,然后由于各種原因在調試期間只使用其中的一小部分功能,例如使用具有五個或多個功能的多功能系統。更多的軸,例如 3 軸系統。類似的事情一次又一次地發生。”

“這種現象通常與公司的人力資源政策有關,”安德森補充道。 “這是關于培訓和了解如何使用系統。有時,負責人很難想象標準應用程序可以如何變化。 例如。 是否不能在一個集成過程中同時用上旋轉、下旋轉、主軸和副主軸加工各個零件。 對某些人來說,這些可能性似乎勢不可擋,并壓倒了他們。 ”


5軸控制和軟件的重要性

盡管擁有具有適當資格的工業機械師對充分利用 5 軸系統的潛力做出了重大貢獻,但系統的控制系統和軟件也同樣重要。
“對于高速 5 軸加工,系統上的伺服驅動器和響應時間非常重要,以避免加工過程中出現不穩定和不準確的切割,”芬恩說。 “系統的控制系統必須能夠足夠快地處理數據,以便工具能夠以良好、平穩的運動在物體上被引導。您不希望任何可能導致偏差和不規則的劇烈運動。 ”
“創建 5 軸程序的軟件還必須能夠生成漂亮、流暢的代碼,以便系統可以將其轉換為平滑的運動,”芬恩說。

因此,選擇正確的 CAD/CAM 軟件包對于充分利用您的機器至關重要。

“例如,當你做航空航天葉盤時,你必須使用高端程序,”安德森說。 “另一方面,如果您在汽車公司的壓鑄模具中制造小型鋁制元件,并且只需要在發動機外殼上鉆幾個孔來組裝它們,那當然就完全不同了。”

“如果您正在切割 CAM 系統需要為其創建特定切割程序的零件,您應該投資一個根據您的設施能力量身定制的 CAM 系統,”Finn 補充道。

避免 5 軸系統中的碰撞

在創建 5 軸銑削路徑時,通常在更高的切削和進給速度與最大限度地降低事故和跌倒風險之間存在兩難選擇。幸運的是,有許多軟件工具可以幫助消除這些風險。

“使用我們的防撞軟件,您可以上傳零件和工具的 3D 模型,程序將在工具移動之前檢查是否有任何碰撞風險,”安德森說。 “如果您的設備建模正確,則在運動開始之前將防止碰撞。”
“市場上有可以進行機器模擬的軟件,”芬恩評論道。 “這非常重要,尤其是在涉及更昂貴的零件時。您不希望碰撞會導致您不得不報廢零件、傷害他人或損壞機器。 ”

“Vericut 提供 3D 虛擬監控軟件,它可以在離線計算機上執行相同的操作,”安德森補充道。 “因此,與其在控制系統上實時運行,不如將您的零件數據上傳到 Vericut,它會檢查您的所有刀具路徑并確保系統完全按照您的預期運行。”

5 軸系統中的刀具傳感器

高生產率是 5 軸加工的優勢。但它也增加了出錯的風險,例如 B. 使用損壞的工具或錯誤的工具。減少此類錯誤的一種方法是使用工具傳感器,例如 B. DMG MORI DMU 50 上的此 BLUM 激光器:


5 軸技術:一鍵搞定?

術語“一體完成”是生產中的一個崇高理想:您將一塊材料裝入機器,運行程序并收到一個完整的零件。與零設置時間一樣,一體完成也是一個有價值的目標,即使它最終無法在不妥協的情況下實現。
無論如何,5 軸加工比任何其他工藝都讓我們更接近目標,因為即使是 3D 打印零件也需要后處理。在這種情況下,夾緊技術是 5 軸加工的主要限制。

“夾緊技術在 5 軸加工中非常重要,”安德森說。 “我可以擁有世界上最好的系統,但如果我的夾緊技術很糟糕,我將永遠無法在一天結束時取出我想要的零件。”

Finn 認為,克服這一障礙的關鍵在于使用具有五個以上軸的機器:
“我們的 INTEGREX 機床 z. B. 可以配備副主軸和下銑刀塔。這允許在主軸上切割零件,然后轉移到副主軸以加工零件的其余部分。這基本上允許您裝載一塊原材料,最后卸載一個成品。”



5 軸銑削的真正藝術

5 軸加工具有顯著的優勢,例如更短的生產時間、更高的效率和更長的刀具壽命。 但是,重要的是要了解僅購買最新的 5 軸加工中心無法實現這些優勢。

掌握 5 軸加工的藝術需要考慮多種因素。 關于這個問題,安德森說:
“如果你看客戶的問題,那么加工過程中的技術問題就比較少見了。 大多數時候,他們面臨的問題與制造技術無關,而是培訓問題和人員問題。 因此,將工作計劃轉化為足夠的系統控制命令或確保在處理之前有足夠的工具來完成已經開始的部分。 與制造本身所涉及的技術問題相比,流程的外圍部分通常會帶來更大的挑戰。 ”

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