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【分享】五轴加工的全面介绍

楼主:模具部落 时间:2019-08-17 14:00:27



随着国内数控技术的日渐成熟,近年来五轴联动数控加工中心在各领域得到了越来越广泛的应用。在实际应用中,每当人们碰见异形复杂零件高效、高质量加工难题时,五轴联动技术无疑是解决这类问题的重要手段。近几年随着我国航空航天、军事工业、汽车零部件和模具制造行业的蓬勃发展,越来越多的厂家倾向于寻找五轴设备来满足高效率、高质量的加工。但是,你真的足够了解五轴加工吗?下面就请跟着小编的脚步走进五轴加工的世界。(文章较长,建议大家收藏后再读)





五轴加工
  想要真正的了解五轴加工,首先我们要做的是要读懂什么是五轴机床。五轴机床(5 Axis Machining),顾名思义,是指在XYZ,三根常见的直线轴上加上两根旋转轴。ABC三轴中的两个旋转轴具有不同的运动方式,以满足各类产品的技术需求。而在5轴加工中心的机械设计上,机床制造商始终坚持不懈地致力于开发出新的运动模式,以满足各种要求。综合目前市场上各类五轴机床,虽然其机械结构形式多种多样,但是主要有以下几种形式:

两个转动坐标直接控制刀具轴线的方向(双摆头形式)

两个坐标轴在刀具顶端,但是旋转轴不与直线轴垂直(俯垂型摆头式)

两个转动坐标直接控制空间的旋转(双转台形式)

两个坐标轴在工作台上,但是旋转轴不与直线轴垂直(俯垂型工作台式)

两个转动坐标一个作用在刀具上,一个作用在工件上(一摆一转形式)

*术语:如果旋转轴不与直线轴相垂直,则被认为是一根俯垂型轴。

   看过这些结构的五轴机床,我相信我们应该明白了五轴机床什么在运动,怎样运动。可是,这么多样化的机床结构,在加工时究竟能展现出哪些特点呢?与传统的三轴机床相比,又有哪些优势呢?接下来就让我们来看看五轴机床有哪些发光点。


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5轴机床的特点

说起五轴机床的特点,就要和传统的三轴设备来比较。生产中三轴加工设备比较常见,有立式、卧式及龙门等几种形式。常见的加工方法有立铣刀端刃加工、侧刃加工。球头刀的仿形加工等等。但无论哪种形式和方法都有着一个共同的特点,就是在加工过程中刀轴方向始终保持不变,机床只能通过XYZ三个线性轴的插补来实现刀具在空间直角坐标系中的运动。所以,在面对下面这些产品时,三轴机床效率低、加工表面质量差甚至无法加工的弊端就暴露出来了。

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而与三轴数控加工设备相比,五联动数控机床有以下优点:

1. 保持刀具最佳切削状态,改善切削条件



如上图,在左图中三轴切削方式,当切削刀具向顶端或工件边缘移动时,切削状态逐渐变差。而要在此处也保持最佳切削状态,就需要旋转工作台。而如果我们要完整加工一个不规则平面,就必须将工作台以不同方向旋转多次。可以看见,五轴机床还可以避免球头铣刀中心点线速度为0的情况,获得更好的表面质量。


2. 有效避免刀具干涉



如上图,针对航空航天领域内应用的叶轮、叶片和整体叶盘等零件,三轴设备由于干涉原因无法满足工艺要求。而五轴机床就可以满足。同时五轴机床还可以使用更短的刀具进行加工,提升系统刚性,减少刀具的数量,避免了专用刀具的产生。对于我们的企业老板来说,意味在刀具成本方面,五轴机床将会给您省钱了!


3. 减少装夹次数,一次装夹完成五面加工





4. 提高加工质量和效率



如图,五轴机床可以采用刀具侧刃切削,加工效率更高。


5. 缩短生产过程链,简化生产管理


五轴数控机床的完整加工大大缩短了生产过程链,可以使生产管理和计划调度简化。工件越复杂,它相对传统工序分散的生产方法的优势就越明显。


6. 缩短新产品研发周期


对于航空航天、汽车等领域的企业,有的新产品零件及成型模具形状很复杂,精度要求也很高,因此具备高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力的五轴数控加工中心可以很好地解决新产品研发过程中复杂零件加工的精度和周期问题,大大缩短研发周期和提高新产品的成功率。

等等…


综上所述,五轴机床实在是有太多太多优点,但是五轴机床刀具姿态控制,数控系统,CAM编程和后处理都要比三轴机床复杂的多!同时,我们说到五轴机床,就不得不说真假五轴的问题,我们都知道真假五轴最大的区别在于RTCP功能,然而何谓RTCP,它是怎么产生的又该如何应用?下面我们就结合机床结构和编程后处理来具体了解一下RTCP,了解他的真正面目。


关于RTCP


RTCP,在科德数控GNC61高档五轴数控系统里,认为RTCP即是Rotated Tool Center Point,也就是我们常说的刀尖点跟随功能。在五轴加工中,追求刀尖点轨迹及刀具与工件间的姿态时,由于回转运动,产生刀尖点的附加运动。数控系统控制点往往与刀尖点不重合,因此数控系统要自动修正控制点,以保证刀尖点按指令既定轨迹运动。业内也有将此技术称为TCPMTCPC或者RPCP等功能。其实这些称呼的功能定义都与RTCP类似,严格意义上来说,RTCP功能是用在双摆头结构上,是应用摆头旋转中心点来进行补偿。而类似于RPCP功能主要是应用在双转台形式的机床上,补偿的是由于工件旋转所造成的的直线轴坐标的变化。其实这些功能殊途同归,都是为了保持刀具中心点和刀具与工件表面的实际接触点不变。所以为了表述方便,本文统一此类技术为RTCP技术。

那么RTCP功能是怎么产生的呢?多年以前,在五轴机床刚普及市场的时候,RTCP概念被机床厂家大肆宣传。彼时RTCP功能更像是为技术而技术的噱头,更多人是对其技术本身的热衷和炒作。其实RTCP功能正好相反,它不光是一项好技术,更是一项能为客户带来效益和创造价值的好技术。拥有RTCP技术的机床(也就是国内所说的真五轴机床),操作工不必把工件精确的和转台轴心线对齐,随便装夹,机床自动补偿偏移,大大减少辅助时间,同时提高加工精度。同时后处理制作简单,只要输出刀尖点坐标和矢量就行了。像我们之前说的那样,在机械结构上,五轴数控机床主要有双摆头、双转台、一摆一转等结构。下文我们将以科德双转台五轴机床,科德数控GNC61高档五轴数控系统为例,详细介绍一下RTCP功能。

科德数控GNC61在五轴机床中定义第四轴和第五轴的概念:在双回转工作台结构中第四轴的转动影响到第五轴的姿态,第五轴的转动无法影响第四轴的姿态。第五轴为在第四轴上的回转坐标。

好了,看完定义说明我们来解释一下。如上图所示,机床第4轴为A轴,第5轴为C轴。工件摆放在C轴转台上。当第4A轴旋转时,因为C轴安装在A轴上,所以C轴姿态也会受到影响。同理,对于我们放在转台上面的工件,如果我们对刀具中心切削编程的话,转动坐标的变化势必会导致直线轴X、Y、Z坐标的变化,产生一个相对的位移。而为了消除这一段位移,势必机床要对其进行补偿,RTCP就是为了消除这个补偿而产生的功能。

   那么机床如何对这段偏移进行补偿呢?接下来我们就来分析一下这段偏移是怎么产生的。

   根据前文,我们都知道是由于旋转坐标的变化导致了直线轴坐标的偏移。那么分析旋转轴的旋转中心就显得尤为重要。对于双转台结构机床,C轴也就是第5轴的控制点通常在机床工作台面的回转中心。而第4轴通常选择第四轴轴线的中点作为控制点。

数控系统为了实现五轴控制,GNC61需要知道第5轴控制点与第四轴控制点之间的关系。即初始状态(机床AC0位置),第四轴控制点为原点的第四轴旋转坐标系下,第五轴控制点的位置向量[U,V,W]。同时还需要知道AC轴轴线之间的距离。对于双转台机床,举例如下图所示。


讲到这里,大家可以看出,对于有RTCP功能的机床,控制系统为保持刀具中心始终在被编程的位置上。在这种情况下,编程是独立的,是与机床运动无关的编程。当您在机床上使用GNC61系统编程时,不用担心机床运动和刀具长度,您所需要考虑的只是刀具和工件之间的相对运动。余下的工作GNC61控制系统将为您完成。举个例子:



如上图,不带G203 RTCP功能关的情况下,控制系统不考虑刀具长度。刀具围绕轴的中心旋转。刀尖将移出其所在位置,并不再固定。

如上图,带G203 RTCP功能开的情况下,控制系统只改变刀具方向,刀尖位置仍保持不变。XYZ轴上必要的补偿运动已被自动计算进去。

G203科德数控GNC61系统里RTCP开启指令,通常已经在CAM系统的CNC程序中被调用。而CNC程序中仅包含了所要趋近的X/Y/Z点,和描述刀具方向的方向矢量ABC。换句话说,CNC程序仅包含几何和刀具方向数据。

而对于不具备RTCP的五轴机床和数控系统是怎么解决直线轴坐标偏移这个问题呢?我们知道现在国内很多五轴数控机床和系统都属于假五轴,所谓假五轴,其实就是指不带RTCP功能的机床。真假五轴,既不是看长相也不是看五个轴是否联动,要知道假五轴也可以做五轴联动。假五轴的区别主要在于其没有真五轴RTCP算法,也就是说假五轴编程需要考虑主轴的摆长及旋转工作台的位置。这就意味着用假五轴数控系统和机床编程时,必须依靠CAM编程和后处理技术,事先规划好刀路。同样一个零件,机床换了或者刀具换了,都必须重新进行CAM编程和后处理。并且假五轴机床在装夹工件时需要保证工件在其工作台回转中心位置,对操作者来说,这意味着需要大量的装夹找正时间,且精度得不到保证。即使是做分度加工,假五轴也麻烦很多。而真五轴只需要设置一个坐标系,只需要一次对刀,就可以完成加工。下图以NX后处理编辑器设置为例,说明假五轴的坐标变换。
   
如上图,假五轴是依靠后处理技术,将机床第四轴和第五轴中心位置关系表明,来补偿旋转轴对直线轴坐标的位移。其生成的CNC程序XYZ不仅仅是编程趋近点,更是包含了XYZ轴上必要的补偿。这样处理的结果不仅会导致加工精度不足,效率低下,所生成的程序不具有通用性,所需人力成本也很高。同时由于每台机床的回转参数不同,都要有对应的后处理文件,对于生产也会造成极大的不便。再者假五轴其生成程序无法改动,实现手工五轴编程基本没有可能。同时因为没有RTCP功能,其衍生的众多五轴高级功能都无法使用,比如五轴刀补功能等。其实对于五轴机床来说,它只是我们为了实现加工结果的工具,并无真假之分。重要的是我们的工艺决定了选用什么方式加工,相对而言,真五轴机床性价比更高。而对于科德数控GNC61数控系统,不但具有RTCP功能,同时还支持3D刀补、C样条插补、NURBS样条插补、大圆弧插补、圆锥插补等诸多高端插补功能,从而实现了更高效简洁、高质量的加工。


科德五轴机床加工S型试件

科德机床加工钛合金叶轮


下面,小编为您介绍一下科德的五轴加工中心,看看除了RTCP,它还有哪些黑科技


科德数控股份有限公司研发生产的高速高精度五轴立式铣车复合加工中心KMC系列均采用模块化设计概念,具有更大的作业空间,更小的干涉,更强的切削刚度,更高的速度和精度,适用于航空航天、模具制造、汽车零部件和能源领域、其外观和主要技术参数如下图所示:


     从图中我们可以看出,机床整体采用改良的龙门框架结构,通过C轴高转速,实现铣车复合功能。A轴的转角范围尤为突出,实现±130°行程,可充分满足闭式叶轮加工要求。对于工作台600大小的机床,工件最大重量可达1000KG,可以满足较重的大型工件加工。当然其优点远不止这些,下面我就为您详细介绍一下。


改良的龙门框架及整机结构设计



KMC系列立式铣车复合加工中心的结构采用改良的龙门框架设计,三个轴在刀具上,两个旋转轴在工件上,达到最优的主轴支撑;各轴的驱动和导轨都在加工区域之外的上方,不会受加工时产生的切屑等因素的影响,大大降低故障率;主轴内置于垂直的Z向滑枕中,借鉴立式坐标镗的精典结构;主轴不会受到摆动的影响,所以刀具长度不会影响摆臂长度而影响摆动误差,拥有更好的主轴刚性;数控回转摆动工作台实现双壁支撑,Y轴采用四导轨支撑和位于中心的主驱动;A轴摆动角度为-130°~ +130°。环形刀库与机床床身融为一体,结构简单、节省空间。


人造理石床身



◆矿物铸件材料具有良好的减振性能,其阻尼特性数值
(对数减量)为铸铁的6-10倍。采用矿物铸件材料床身的机床刀具使用寿命可延长30%,可大幅地提高工件的加工精度。

◆矿物铸件材料的导热系数仅为铸铁的二十分之一,对短时环境温度变化不敏感,因此床身具有良好的热稳定性,从而确保了加工工件的精度。

◆矿物铸件在室温下浇铸,固化反应放热量低而且成型时收缩小,因此床身内部残余应力小,成型精度高,尺寸稳定。

◆矿物铸件材料的比重约为铸铁的三分之一,因此相同结构重量,矿物铸件材料结构的壁厚可以设计为铸铁的3-4倍,这样可使床身的固有频率提高,共振振幅减小,静动刚度得到提高。

矿物铸件材料具有良好的耐化学品性能,能抵抗酸碱溶液以及冷却液的腐蚀。

◆在常温下浇铸并固化成型的工艺过程具有能耗低的优点,与传统的铸铁件浇铸相比消耗能源仅为5%,符合低碳节能的环保要求。


采用有限元分析法辅助产品研发



        KMC
系列立式铣车复合加工中心在设计研发阶段利用计算机辅助设计技术手段。基于CAD设计的3D立体模型,使用“有限元分析法”模拟静态载荷和动态运行工况,通过多次模拟和设计修正,追求每一个机床部件达到理想的静态和动态特性,以确保机床的整体刚性。通过“有限元分析法”辅助设计的结果,将在原型样机上通过实验测试和模态分析得到验证和确认。确保机床产品在实际加工中优秀的动态性能表现。


直驱技术、高动态响应技术


         KMC系列立式铣车复合加工中心采用直驱技术,通过力矩电机作为回转坐标主要驱动技术。直驱技术具有动态响应能力好,无反向间隙,无传动机械磨损等显著优势。直驱技术已经成为当前国际上精密高速机床重要的技术路线。U型和UMT型分别配置低速力矩电机和高速力矩电机,均实现了满足铣削和车削要求的良好的精度和动态性能的表现。

科德数控在机床设计阶段十分重视运动部件动态性能优化,重视高刚度轻量化设计和机械运动部件的动力匹配。在机床订单配置和调试阶段,可以根据用户特殊需求,配置更高扭矩惯量比的高性能电机及驱动,进一步进行机床每一个运动坐标的驱动参数的优化,使机床的动态性能满足用户的需求。

通过这么多的图片文字,相信你对于五轴机床应该足够了解了吧!如果您有不同的想法或者不明白的地方,欢迎留言,我们一起探讨!路漫漫其修远兮,科德数控作为纯国产的五轴机床和数控系统企业,势必会以更高的质量,更好的服务来为您创造价值!


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