模具制作的5轴加工

By | 2020年7月23日

模具制作业次要环绕铸造模、拉伸模、注塑模以及金属压铸锻造模等模具的制作。因而它为汽车、飞机、家电、糊口用品以及电子产业等产业零部件制作设置装备摆设供给弱小的撑持。

作为产业之母,模具正在从产物理念到成批消费构件的全部消费工艺流程中据有关头的位置。这个行业产物的特点是产物多少外形较为庞大,很多模具备较深的型腔以及较陡的侧壁,模具的型芯以及型腔年夜局部是自在曲面,并以单件消费为主,开辟周期又短,因而需求采纳既柔性又具高效的加工工艺。而庞大多少外形工件的加工以及需求的工艺柔性则间接指向了5轴加工。

图1. 摆动反转展转轴的多少种设置装备摆设(Siemens 公司)

5轴加工的劣势正在于能完成一切5个轴的同时活动,早正在上世纪90年月就已经为业界所晓得。其不只能完成自在曲面、圆柱面以及球形曲面的铣削加工和完成工件的5 面加工外,紧张的一点还正在于能以较年夜的行距、短的铣刀、简直能够靠近恣意的多少外形以及一个分明波动的进程把持停止加工。别的,工件正在定位基面加工后,经过一次装夹便可完成局部加工,防止了屡次换夹带来的精度以及工夫成绩。

5轴联动加工

5轴联动加工是经过正在现有的3 个笛卡尔直线坐标轴上集成两个附加的摆动反转展转轴来完成的(图1),使铣刀以5个自在度绝对于构件的自在外表停止5轴联动加工,关于一些较深或者难于靠近的型腔自在曲面(图2),凭仗5轴加工就可以采纳绝对短的铣刀(图3),加强铣刀的刚性以及进步铣刀加工的波动性。

图2. 5 轴铣削,出格为制作庞大多少外形的金属锻造模以及塑料的注塑模发明了合作劣势(sescoi CAM公司/Meissner 模具公司)

经过5轴加工分离刀具的多少角度也有益于加工难于切削的资料。而铣刀自在的多少定位又使铣刀与工件的打仗坚持最好形态,也便是铣刀的切削刀刃能够最好地切近工件表面,可以使刀具到达较年夜的铣削行距,从而延长加工工夫。

图3. 经过铣刀的延续摆动, 可采纳较短或者锥柄铣刀以完成一个波动以及牢靠的铣削进程。

与3轴联动铣削比拟,5轴联动铣削工艺能够带来工艺、多少外形以及经济上的一系列的长处。简直能够加工恣意多少外形庞大的模具,而5轴加工的魅力还正在于简直能正在工件一次装夹的状况下停止局部加工,由此进步了模具的加工精度、工件外表品质,并能延长加工工夫(免除了工件的搬运以及换夹)。

图4. 3 轴铣削以及5 轴铣削的比拟

地道的3轴机床,正在加工多少外形庞大的模具时,存正在必定的坚苦。比方正在加工模具较小的槽角半径时,由于铣刀的刀尖半径没有答应年夜于模具的这个槽角半径。而正在加工较深的型腔时,又常常必需采纳颀长的铣刀,这又会招致加工的没有波动性以及比拟差的外表品质。

表1. 5 轴联动铣削绝对于3 轴铣削的优、缺陷

又如当3轴加工碰到较小的脱模斜度时,常常也是难于停止铣削加工的。即便加工倾角较年夜的斜外表,也只能采纳良多次较小的切削行距来切削这个外表。而采纳5轴加工,铣刀绝对这一外表以所需的角度正在一次路程中即可切除了外表上的资料。5轴铣削绝对于3轴铣削既有长处,也存有弊病(见图4及表1)。而正在加工非自在曲面时,采纳3+2 轴加东西有较多的劣势。

3+2轴定位加工

3+2轴的组合加工,经过摆动以及反转展转轴将切削刀具牢固正在一个歪斜的地位来完成整机各部位的加工,即完成3+2轴定位加工。3+2轴固然不克不及加工自在曲面,可是能够停止庞大构件的5面加工,正在年夜少数状况下,没有需求对于工件停止2次乃至3次的换夹,如许就没有需求为屡次装夹去糜费工夫。由此不只进步了消费服从以及加工精度,别的,还晋升了机床加工的灵敏性。明显,采纳如许的5 轴机床(3+2轴)也是比拟经济的,由于推销一台新的5轴联动加工中间的用度,年夜多要比置办一台装备有双轴反转展转任务台的立式3轴加工中间的用度要高良多。别的,这类3+2轴的组合还具备另一些长处(表2)。

表2. 3+2 轴加工绝对于5 轴联动加

举一个实例:关于地道的5轴机床,第4以及第5个轴少数是配置正在任务台上,由任务台形成边沿搅扰的状况较多。这需求一个较高的工件夹具或者采纳较长的刀具,但随之而来的是机床任务波动性的下滑,会惹起振动,终极低落了机床的加工精度以及服从。如果工件是装夹正在附加的任务台上,边沿的搅扰就分明增加。由此便可采纳不容易发生振动的短刀具。

3+2轴处理计划的别的长处表现正在挪动的部件品质上。5轴机床必需减速以及制动全部机床任务台以及工件,而关于附加1个或者2个轴只是装有工件的反转展转轴停止挪动,就可以分明增加品质,由此,也就低落了电能耗费。

近多少年来,5轴加工中间开展趋向微弱,涡轮叶片、叶轮、成形模或者其余的自在曲面的整机,都需求5轴联动的加工中间。可是也有良多的差别的加工义务,5轴联动加工关于很多使用状况是不须要、且没有经济的,由于一切正在5轴加工中间上所停止的加工90%是地道的5面加工。而采纳配置第4个以及(假如须要)配置第5个轴的3轴立式加工中间则是高消费率的处理计划。也便是说,采纳装置有摆动以及反转展转轴的立式加工中间经常是经济、松散以及柔性的加工计划。它能满意推销用度、可靠近性、功课面积以及动力耗费等方面的请求。

图5. 装置有摆动以及反转展转任务台的3 轴铣床就成为一种功用较强的5轴加工中间(Lehmann公司)。

正在实践消费中,正在3轴铣床上装置双轴反转展转任务台就成为一台5轴加工中间(图5),应用如许的3+2轴处理计划,与地道的5轴机床比拟,这类机床较简单完成工件的多面加工。如采纳较年夜规格的任务台,还可停止多工件加工,具备较高的消费率。

5轴铣削是一种请求很高的加工,铣削的终极效果正在很年夜水平上取决于机床、刀具、编程以及把持零碎互相的最好共同。

5轴机床

依据摆动以及反转展转轴的差别设置装备摆设,能够构成各类差别范例的5 轴加工机床。既能够是立式的,又能够是卧式的以及立柱挪动式(能够有较年夜的任务空间),也能够是龙门式(可合适于年夜件加工)的。而罕见的是摆动以及反转展转工件台5轴机床,正在摆动轴的支座上经常配置一个反转展转任务台(也能够配置多个反转展转任务台,完成多轴加工,图6),这类机床合适于加工中小尺寸的工件,摆开工作台有采纳双面支承(图6),也有单面支承的(图7)。

图6. MAG IAS 公司的主轴加工中间

今朝,跟着直线机电以及转矩机电的普遍使用,间接驱动的5轴机床日趋增加,这不只使机床具备很高的减速度,而且也进步了机床的任务精度。采纳5轴高速加工的铣床来加工整机就可以正在较短的工夫里取得很高的加工精度以及外表品质。

图7. Grob 公司的5轴加工中间

加工庞大外形的模具,当新的CNC顺序初度调试时出格要留意刀具与工件的碰撞。为此,GF阿奇夏米尔公司开辟的Mikron HPM 600U以及HPM800U高效铣床就装无机床主轴维护模块(Machine Spindle Protection HPM),应用这类零碎就可以防止主轴的破坏、使机床的多少精度免受丧失并增加了停机工夫。

5轴高速加工中间的遍及特色是采纳龙门式框架构造,以加强机床刚性,而机床床身则采纳聚合物混凝土,因为这类资料具备较好的阻尼功能以及较低的热传导率,而机床的热波动性关于确保加工的高精度是一个很紧张的前提,为此,有些高精度加工中间则经过对于一切介质以及构件(如轴驱动安装)冷却进程的监控停止机床外部的温度调控,以确保加工中间极高、且非常波动的加工精度。

5轴高速加工中间正在价钱上要比3轴加工中间高良多,依据德马吉森精机DMC75V 系列的5轴加工中间与3轴加工中间停止价钱比拟,5轴要比3轴的价钱约高50%。5轴高速加工中间价钱虽高,但这类高等机床出格合适用来加工庞大多少外形的模具。5轴加工中间正在加工较深、较陡的型腔时,能够经过工件或者主轴头的附加反转展转以及摆动为立铣刀的加工发明最好的工艺前提,并防止刀具及刀杆与型腔壁发作碰撞,减小刀具加工时的颤动以及刀具破坏的风险,从而有益于进步模具的外表品质、加工服从以及刀具的寿命。

依据德国特地处置汽车发起机箱体件以及燃料容器等的模具制作厂家,Meissner公司的28台铣削床中有14台用于5轴联动加工,有较丰厚的运用经历。因为5轴铣削的浩繁长处,像铣削用于砂型锻造的成型模时,该公司采纳5轴铣削要比从前采纳的3轴铣削的本钱约莫低落了一半。

数控编程以及数控零碎

今朝,数控编程根本上都是经过CAD/CAM 零碎来完成的,现实上,假如运用适宜的编程零碎,可明显增加编程任务,且编程牢靠。5轴铣削的编程其实不会像3轴铣削的编程那样省事,最少没有会那样庞大。凡是,应用CAD/CAM零碎、3轴、3+2轴以及5轴的铣刀途径连同所选机床的活动是可视的,也便是应用CAM 零碎能够经过模仿仿真来查验天生的刀具轨迹的精度和反省加工进程中诸如刀具、工件、刀夹以及机床主轴之间的能够的碰撞,还可查验加工代码的精确性。

CNC把持零碎是高速5 轴加工中间的紧张构成局部,它正在很年夜水平上决议着机床加工的速率、精度以及外表品质。因而,关于加工模具自在曲面的高速机床,数控零碎的功能具备出格紧张的意思。

加工高精度自在曲面时,由微段直线以及圆弧组成的刀具轨迹形成复杂的整机顺序,这些数据流需求由机床把持零碎来贮存以及处置,因而顺序段处置工夫的是非是决议CNC把持零碎任务服从的紧张目标。今朝,高等CNC把持零碎的顺序段处置工夫普通可达0.5ms(如海德汉的iTNC530数控零碎),而有一般数控零碎的顺序段处置工夫已经延长到0.2ms-0.4ms或者更短。

使用于模具高速加工的古代CNC数控零碎,除具备为确保高速进给速率所须要的很短顺序处置工夫外,还应具备Nurbs以及样条插补功用,并能以纳米的辨别率停止任务,以便正在高速加工的状况下取得高的加工精度以及外表品质。

今朝,高等的数控零碎也都能与差别厂家的CAD/CAM零碎停止衔接,数据从CAD/CAM零碎经以太网以很高的速率传递到把持零碎上。CAD/CAM集成到把持零碎正在很年夜水平上使模具庞大表面的加工取得杰出的后果,并对于延长调剂工夫以及编程工夫作出非常紧张的奉献。

刀具以及刀夹

正在模具加工中,次要采纳精密颗粒全体硬质合金刀具(球头铣刀以及有刀尖圆弧半径的立铣刀),年夜少数有硬涂层以及出格的刀刃多少角度。刀柄最年夜直径16-20妹妹, 因为刀具凡是较难靠近工件表面,因而要采纳颀长构造的夹头。思索到颀长的构造以及正在高速铣削时必需的高反转展转精度和响应的均衡质量,合适于模具加工的次要有两种刀夹:热胀冷缩夹头(应用刀夹资料受热收缩以及冷却减少的特征,来完成刀具的夹紧以及停止换刀)以及应力锁紧夹头(如三棱应力锁紧夹头以及液压收缩夹头,这种是依托夹头的机器变形来完成刀具的夹紧)。正在铣削模具整机时,因为资料切除了量其实不年夜,径向切削力较小,挑选这种是适宜的。

结语

5轴高速加工中间的开辟以及任务功能不时进步是模具制作业患上以高效以及高精度加工模具的紧张条件, 是加工庞大模具的关头设置装备摆设。采纳间接驱动的5轴加工中间, 能明显进步加工中间的路程速率、静态功能以及定位精度。5轴加工为构件的全加工发明了前提,从而能够增加预备工夫、增加工件搬运、丈量以及工艺流程工夫。对于制作模具来讲,5轴联动铣削已经成为模具加工的关头工艺。出格是5轴高速硬铣能够年夜年夜简化模具制作的全部消费工艺流程,进步模具的加工品质、延长模具制作工夫以及低落消费本钱,从而年夜年夜进步模具制作企业的合作力。