- 2024-12-07
如今,机械加工行业的不断发展。有时,一提到五轴数控加工,大多数人脑海中浮现的第一印象就是:技术含量高、价格昂贵、操作难度大,但五轴加工真的是这样吗?
请继续阅读,我们将为您解答这个问题,并提供有关这种加工的全面信息。
什么是 5 轴加工?
五轴加工是一种先进的数控加工技术,使用具有五个运动轴的机床对工件进行加工。这些轴包括三个线性轴(X、Y、Z)和两个旋转轴(A和B 或A和 C)。这种灵活性使刀具可以从多个角度接触工件,轻松加工复杂几何形状。例如,它能够在一个操作中完成倾斜面、曲面和复杂轮廓的加工,而无需频繁调整工件的位置,从而减少人为误差。
5 轴的含义
5 轴中的 “5 ”是指除了传统的 3 个轴(X、Y 和 Z 轴)之外,用于 5 轴加工的机床还增加了两个轴,使其总数达到 5 个运动轴。第 4 轴为 A 轴,表示绕 X 轴旋转;第 5 轴为B轴绕Y轴旋转,或C轴则绕Z轴旋转。
5轴数控机床如何工作?
五轴数控机床自动工作,只需极少的人工干预。它使用旋转切削工具对放置在机床上的工件进行加工。下面是5 轴加工的工作流程:
1. 准备 CAD 模型与优化加工路径
- 使用 CAD 软件设计工件的三维模型。
- 将模型导入 CAM 软件,生成刀具路径,包括刀具移动和旋转的轨迹。
- 优化路径,确保切削顺畅,避免干涉或碰撞。
2. 将数据输入数控系统
- 将生成的加工程序(通常为 G 代码)传输到五轴数控机床。
- 数控系统解析代码,准备控制机床的每个轴的运动。
3. 安装工件与刀具
- 将工件固定在工作台上,确保装夹牢固并对齐中心。
- 安装合适的刀具,并校准刀具位置与机床坐标系一致。
4. 机床启动与多轴联动
- 线性轴运动(X、Y、Z):刀具沿直线方向移动,完成平面位置的定位和切削路径。
- 旋转轴运动(A 和 B 或 A 和 C):旋转轴调整刀具角度,使其能从多个方向接触工件表面,特别是复杂曲面或倾斜面。
5. 实时加工与动态调整
- 数控系统根据加工程序实时控制刀具的移动和旋转,同时调整切削参数(进给速度、主轴转速等)。
- 传感器监控加工过程,对位置、角度和切削负载进行反馈,进行误差补偿和动态调整。
6. 一次装夹完成多面加工
- 机床在一次装夹中,通过旋转工件或调整刀具角度,完成零件多个面或复杂几何形状的加工,避免多次装夹带来的定位误差。
7. 加工完成与质量检查
- 完成加工后,取下工件并使用测量设备(如三坐标测量仪)检查尺寸精度和表面质量,确保符合设计要求。
五轴数控机床的类型
根据旋转轴的位置与运动方式,五轴数控机床主要分为以下几种类型:
1. 双转台型
结构:机床配备一个主转台(B 轴)和一个副转台(C 轴),两者分别绕不同轴旋转。
特点:
- 转台旋转灵活,适合加工复杂零件。
- 工件随转台运动,可能受到尺寸和重量限制。
2. 摇篮式(倾斜头 + 固定工作台)
结构:刀具可通过机头的两个旋转轴(A 轴和 B 轴)进行倾斜和旋转,而工作台固定不动。
特点:
- 无需移动工件,适合加工大型零件。
- 机头重量较大时,可能影响运动速度和精度。
3. 转台 + 摇篮式
结构:工作台可围绕一个轴旋转(B 轴或 C 轴),同时机头具备一个旋转轴(A 轴)。
特点:
- 转台和摇篮结合提供更大灵活性。
- 能处理中型到大型零件,兼具精度和效率。
4. 双旋转头型
结构:机床的两个旋转轴完全集成在刀具机头上,工作台固定。
特点:
- 刀具运动灵活,适合加工大型或重型工件。
- 机头需承受复杂运动的负载,机械设计要求高。
5. 平行轴式
结构:两个旋转轴设置在独立平台上,分别用于刀具和工件的旋转。
特点:
- 独立控制的旋转轴提高了加工的灵活性。
- 系统复杂,对操作要求较高。
5轴CNC加工的优点
五轴数控机床提供三个线性轴和两个旋转轴,可联动工作,生产复杂程度高的零件,为许多行业带来了多种优势。这些优势包括成本效益和高效加工,以下是 5 轴数控加工的主要优点。
加工复杂形状
由于机床增加了额外的轴,因此可以轻松加工复杂的设计和几何形状。此外,需要使用多个专用夹具才能完成的高难度的角度和弧度加工,使用五轴数控机床即可轻松解决。此外,五轴机床还能在单次操作中不断旋转零件,无需多次调整就能实现所需的复杂几何形状。
高精度和高重复性
手动加工操作需要额外的设置才能达到良好的加工效果。但这些额外的设置往往会带来加工上的累积误差,导致机械师在加工过程中无法完全对准。然而,五轴数控铣削只需最少的设置,消除了出现误差的可能性,同时提高了精度。
此外,如今机械师使用的大多数五轴数控机床在加工过程中都无需手动重新定位工件,这保证了加工的可重复性。
高效的设置操作
与三轴机床相比,五轴数控机床的设置过程相对较少,因为五轴数控机床可同时加工多个表面。此外,五轴机床还可以加工具有结构特征的轮廓零件。然而,对于传统的三轴机床来说,要在多个面上进行加工,必须进行多次设置。
高质量的表面光洁度
由于有额外的轴,五轴数控机床的表面光洁度更高。这些额外的轴使工件更接近切割工具,从而更容易获得所需的形状,它还允许使用较短的切削工具进行高速加工,几乎不会产生振动,从而减少了成品表面的刀具痕迹。
生产效率高
五轴CNC加工可有效缩短零件的加工时间。它的主轴转速和进给量范围大,可实现强大的切削能力。五轴数控系统正在进入高速加工时代,它的快速移动和定位以及高速切削加工缩短了零件加工的上机时间,提高了生产效率。
5轴CNC加工的局限性
五轴加工在制造零件方面具有许多优势,然而,五轴加工也并非都是优点,也存在一些局限性。
成本高
购买一台五轴数控机床的成本要比购买一台三轴机床的成本高得多。操作该机器所需的零配件也是如此。此外,维护五轴数控机床比普通数控机床更加困难。因此,成本是使用五轴数控机床进行加工的主要制约因素之一。
编程复杂性
三轴机床所需的编程与五轴机床不同。这主要是由于增加了两个旋转运动,使合成运动的轨迹变得复杂。例如,对五轴机床进行编程时,必须考虑每个轴各自的运动,以避免碰撞和干扰。此外,要获得更好的表面质量和精度,还需要更复杂的编程。
需要较高的操作技能
五轴数控加工涉及到先进技术的使用,要想使机器发挥出最佳性能,必须要有一名技术娴熟的操作员,这会增加劳动力成本。
使用5轴加工中心可以加工哪些类型的零件?
五轴数控加工可生产各种零件。这些零件通常具有错综复杂的形状。以下是一些可以使用五轴加工中心加工的零件。
复杂表面零件
复杂表面零件是您在航空、电子等不同领域经常可以看到的零件,使用普通数控机床很难加工出这种复杂表面。常见的 5 轴加工复杂表面包括球形表面、涡轮发动机叶片、船用螺旋桨、叶轮等。
箱形零件
由于需要多次装夹和校准,使用普通加工机床加工箱形零件相对困难。五轴机床能同时加工多个表面,因此更容易加工出精度更高的箱形零件。
异形零件
异形零件是指形状不规则的零件。例如,点、面、线混合的工件。由于在加工过程中难以控制夹紧压力,因此用传统加工方法加工这类零件非常困难,甚至几乎不可能。然而,使用 5 轴加工,使用多工位点完成加工变得更加容易。
5 轴加工与 3+2 轴加工的区别
五轴加工和 3+2 轴加工的主要区别在于轴的联动方式和适用场景。五轴加工指五个轴(X、Y、Z 和两个旋转轴)同时联动,刀具能够动态调整角度,适合加工复杂曲面和连续几何形状,如涡轮叶片和模具。相比之下,3+2 轴加工仅在加工前固定两个旋转轴的角度,然后通过 3 轴联动完成切削,适合倾斜面或多角度的静态加工,如钻孔或铣削。五轴加工效率更高、编程更复杂,而 3+2 轴加工成本较低、适合中等复杂度的零件生产。
充分利用五轴数控系统的策略
由于大多数操作员并不了解五轴数控机床的全部功能。因此,以下策略可帮助您最大限度地利用五轴数控机床。
选择正确的软件和控制
在使用五轴数控铣床之前,您必须获得正确的信息。获取正确的信息包括分析设计数据的准确性和正确性。同样重要的是,在将 CAD 设计转化为 CAM 等效设计之前,要对设计过程进行验证。
选择刀具检测系统
在工作中使用错误的工具会增加出错的风险。此外,错误的刀具容易磨损,或在加工过程中断裂,从而增加生产成本并降低产品质量。减少这种情况的方法之一是使用刀具检测系统,该系统可帮助您分析要使用的刀具,确保刀具适合工作需要,最大限度地减少错误。
防止碰撞
碰撞会导致部件缺陷和机器损坏。幸运的是,有一些软件工具可以帮助降低这种风险。那么,它是如何工作的呢?这种软件可以模拟设计过程,通常在碰撞发生之前就能看到,从而提供改变设计指令的方法。这种软件有很多,但常用的有 Predator 和 ModuleWorks。
受益于 5 轴数控加工的行业应用
五轴数控加工可为各行业带来多种好处,包括减少加工中的累积误差、提高产品质量和一致性等。许多行业都采用这种加工方式来制造产品和部件,主要行业包括:
医疗行业
在外科手术、测试或病情诊断过程中,一个零件的故障就可能带来灾难,因此精度和准确性对该行业至关重要。5 轴数控加工在医疗行业的应用包括生产研究设备、核磁共振成像设备、外科植入物、医疗器械和矫形设备。
电子设备
由于电子设备是商业和消费品的一部分,因此构成了我们日常生活的大部分。5 轴数控加工有助于生产这些电子设备正常运行所需的最微小部件。它可用于生产电子外壳、半导体、五金件、金属板条、散热器和印刷电路板。
能源工业
为防止发生灾难性故障,能源行业的零件必须符合精确的标准和规格。此外,如果该行业使用的零件不合适,往往会导致整个系统瘫痪,给相关公司造成收入损失。该行业采用 5 轴加工来生产钻头、活塞、活塞杆、气缸和阀门。
航空航天业
该行业需要具有复合形状和轮廓边缘的零件。此外,由于使用几何形状复杂的零件,五轴加工也成为该行业机械师的首选加工工艺。此外,使用 5 轴加工还有助于生产高质量的零件,从而达到行业标准。
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结论
五轴数控加工有助于生产具有高质量表面光洁度的复杂零件。虽然初始成本较高,但从长远来看,这种加工方式有助于节省成本和时间。由于其零件精度高,它是一种应用于航空航天、电子和医疗行业等广泛行业的加工工艺。