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五轴连动加工
五轴连动在机械机床的应用，改善了加工质量以及提高了生产力
资深编辑Patrick Waurzyniak
五轴连动加工在使用Delcam的Powermill软件后应用于模拟和仿真组件加工。
在加工中应用五轴连动设备能提高加工制作的有利条件，引人注目的是减少设备调整时间，降低每一部分的消耗费用，同时改善产品质量。
对于专门的应用，特别是在宇宙航空中，五轴机械的应用使的减少机械设备而提高了生产力。汽车制造商和模具制造商同时也看到了五轴连动机械的优势，尤其是当这种设备价格的降低。
五轴加工可以满足宇宙航天飞机高精度的等高线加工。这样使五轴加工设备多样化，同时有利于配置Mnltuaxis机床加工中心提高生产力和加工精度，减少了加工步骤，改良了机器操作和使用。
五轴加工被应用在航天业已经多年，主要优点是加工整体复杂工件时，只要一次的工件夹持定位；另一个好处在于可使用较短刀具，以确保切削精度。过去模具界甚少使用五轴加工，问题是机台的价格昂贵及NC程序制作困难。近来因为模具交期紧迫及价格压缩，使五轴加工受到模具业的重视，将是继高速加工机后另一个有效工具。 每个产品都有合适的曲度，而典型的科学资料认为合理气体动力学的形状是一个复式的等高线。尤其是战斗机和轰炸机，他们有较多的等高线，较多的曲面超过了以前的机型，所以它们只有在五轴连动的设备上加工。
标准化的应用使的制造产业节省了大量的金钱和时间，它显示了“如果你能在刀库有多样的工具，特别是标准的硬质合金端铣刀能加工不同角度的轮廓线，能减少费用和时间。
位于辛辛那提Lamb'sHyperMach仿形铣床，被航天制造局用来制造航天飞机的大部分部件。
五轴加工的结构广泛的应用，特别是在宇宙航空产品的生产中，大部分旋转轴都是在主轴上，比如在辛辛那提的YperMach的Von Moll软件中，一个70‘（21－M）的旋转轴的线性马达仿形床以102m/min的速度切断工件。在辛辛那提宇宙航天消费品演示中，部分铝以每分钟18000转、130马力和7374厘米每分钟的急速研磨实心胚。今年夏天这套系统将被用于宇宙航天局的供应商Brek Manufactuning Co，以用来制造波音（西雅图）的C－17运输机的机身大梁结构。
“典型的大型宇宙航空设备上，所有的旋转轴都是在主轴上。”Voll Moll说。在一般的情况下第五个轴被应用于倾斜的主轴上，以应用于全部五轴加工全部轮廓的能力。其它的部分是一张旋转的轮盘而把其它的旋转部分置于其之下。这就是我们设计的有倾斜的主轴。
基于宇宙航空比较大的结构部分，制造机械的部分大小要决对适合起重架，类似的有HyperMach机制系统。“典型的这部分通常比较大，而不是微型”来自Moll的看法“因为现在的趋势是向独立机构的方向发展”过去一直有多样的工具被和起来使用，所以要求要合成的工具使用完成集成的工作。
设计复杂，较高的制造费用，已经对五轴加工机器推广采用造成极大的障碍。“五轴加工继续体现加工更快速和更高精度，因此工艺科学是正在体现的技术。”高级加工中心应用工程师Brett Hopkins说。工艺科学有它的应用方面，但是它当然不是一种成熟且又完善的技术。计算机辅助制造系统仍然是比较薄弱。计算机辅助设计和计算机辅助制造的深入研究应用对五轴加工是一个很好的挑战。
因为Makion把重心放在五轴加工的高精度上，所以制造费用非常高，以至于没有被压模铸模生产企业广泛的采运，霍布金丝说。在欧洲的营销商们非常的推崇用五轴机械加工的模具，在他们看来这是一个非常好的市场。五轴加工的使用方式是他的占地非常少。
“有一些重要的设备使得五轴设备更加完整。”他接着道。少量的计算机辅助加工系统使五轴设备有了更加完善得数据。他们几乎有能力为所有的固定轴（3+2轴）设备制定加工数据。为加工中心制定专业数据比如UG有着一流的水平。
“由于有五轴加工方式大致分为：固定轴(3+2轴)及连续5轴。模具加工常见的困难是过深的模穴、模仁及很小的内R角，因此使用延长杆，降低切削量及转速，配合制作电工是现今三轴机器的运用方式。”霍布金斯说“当其它的选项不被允许基于几何学的时候，完全地五个轴是某事被做--你们必须在完整的五个轴中做那。而且我们此刻已经见到那唯一应用的工业是在航空宇宙业中, 像由于 桥架装置工作, 是一个刀锋和磁盘片的组合。所以刚模或铸模能应用的是固定轴即（3+2轴）。”
出现的亚洲和东欧竞争合作已经使欧洲的制造业者接受五个轴的技术应用。计算机辅助加工软件的提高使五轴加工的绝对费用逐渐减少，引起了马克的注意，PowerMILL的产品经理Delcam说：“这款软件很容易被掌握，而且他完全胜任这项工作。”
在欧洲，制造商毫不迟疑的接受了一项以五轴加工为机制的方案以应对亚洲及东欧的廉价劳动力的冲击，加强自身的竞争能力。引人注意的是， Delcam's 的研究表示比欧洲的客户在进入 2003 年五个轴的机制 销售增加了50% 多, 当在美国北部的时候五轴大约 20%出售.
“因为劳动如此廉宜在其它地区的市场中，想要保持竞争的公司必须开始比较先进机制的,” 值得注意 “, 不只是意谓机制比较快速的或工作比较长的小时.”工艺科技现在把程序真的接近你的思维,把重心集中在你的创新, 而且投资在新的技术方法、教育、正确的用工具工作,而且减低的一群其它的因素从而带领时代，因此，我们能保持竞争。
“工艺科技是一个非常复杂的议题, 而且有许多不同的科学技术的采用，所以使的发展比较慢的,”他增加道. “如果你是波音或另外的大制造业者，工艺科技是没关系 ,要不是正在想到投资在这一种技术的用工具工作操作员,工艺科技是一个需要大量的基金以用于研究.”
对于较小的工具和钢模加工,范围从 $100,000 到一百万元的五个轴的仪器是主要的投资方向,特别地在节约经济方面。因为那一种技术的费用在历史上已经是如此高，所以已经有惯性, 但是在最近几年以来发现，我们正在一定范围内这些机器对这些较小的制造商是可以负担的。
较小的制造商现在正在见到使用五-轴和 3+2 技术所带来的利益,他说。在工具加工和模具制作过程中,90% 的工作能被极有效率地由使用 3+2 轴技术机器制造, 因为它提供较棒的柔性制造部份,减少工具长度,改善表面的完成，而且我们能仍然使用，所以他认为这是高速的,高效率机制技术.
以前当你加工一个非常深的洞有一个部份的时候,必须使用加长的工具工作,你必须以非常慢的进给量和速度来保证工具歪斜在一定的小范围内,"Forth说“因为你是必须使用一个工作台，所以制造业的辅助加工过程正在花费较长的的时间，一个理想的加工过程会是以非常短工具长度进入达成最适宜的切断情况, 但是能够按某一角度转动刀刃在这样的方法使它与工作台不冲突."
设计五轴同时加工的机制从而组合成一台机床。加工级数从3轴到 3+2个轴的机制前进的,我们的确使我的工具长度较短而且以较高速度运行机器,Forth说.由于同时运行五-轴, 所有的轴同时移动，我不仅仅考虑我所需要的工具和我正在加工的部份，我必须考虑其它的轴上的工具将发生什么情况,因为我们正在引介另外的轴矢量叁数控制工具，所以我一定考虑在工作台，主轴 , 和另一端工作母机的工具什么是发生,连同工具的 X ， Y 和 Z 轴方向放置."
设计五-轴设备所需要的要求比为 3+2 机床有更多考虑,他认为.局部地几何学，工件定位方向、刀具进入和出口情况极端重要。好冲突检测完全必要，你需要确定，你知道正在加工的工具与机床在部份零件，螺丝钳, 或固定物没有碰撞."
与近的 PowerMILL 5.5 版在五月宣布,Delcam 把工作母机冲突检测加入，它给使用者提供的模拟组件功能性模拟，在加工之前完成刀具路径的确认.许多计算机辅助加工软件包裹要求准备加工工具具备无弧度和加工刀具路径，但是不对于机器本身, 这是五轴加工机制软件的设计是必要的。
先进的航空宇宙飞机设计制造业者时常遇到准许减低复杂齿轮连件的形状.在欧洲航天技术中心， 西门子的 Sinumerik 840 D 控制器把一个新的运动 - 控制计划加入刀具轨迹和定方位两者被分开由云形曲线决定, 减少机制加工时间同时地改良表面的质量,尤其对于雕刻表面的五个轴机制.
许多航空宇宙制造业者使用姆欧的新项目 840 D 运行合成设备包括切运动和变形定方位 (TRAORI). TRAORI 非常强大，而且我想是一个绝对的要求必备的条件.我们对于五个轴的航空宇宙产品， “Notes系列软件是辛辛那提的出自 Moll"的840 D 非常标准化，所以我们做提议替代选择,因为需要工艺科技是在任何方面。有代表性的是大多数的人是满意的而且将会与 840 D 搭配.”
TRAORI 帮制造业者解决混合的运动学- 类型的机器，没有传统的轴定方位的系统,他认为.这些是联动类型机器和六角类型机器。藉由混合的运动学, 孪生的滚珠丝杠旋转的轴头，我们在 HyperMach 上和在基层 V5 机器上使用的 V5 头,实际上是进入旋转的运动之内的线性滚珠丝杠的变形.西门子的新项目密切地注意在控制发展中与我们合作 --由于线性滚珠丝杠运动之转换为旋转的运动。这些是他们通常做的事情，而且工艺科技是虽不能说，你不能对 GE Fanuc's 的产品做那, 工艺科技正是使得那一个西门子的新项目使它变成更方便使用界面, 而且乐于体现一点点创意类型比其它同类型软件."
高速的机床也扮演制造业者的一个主要角色，展开五轴加工的系统加速他们的制造程序. 过去, 五轴加工设备被视为一个连同昂贵的软件在一起的工具，需要很多的技术专门,"盖瑞 Zurek 注意道(应用工程经理， Mikron Bostomatic 公司. Holliston, MAHolliston,文学硕士).
为了有效地应用五个轴的机制技术，使用者需要为他们找到适当的解决细节方案,Zurek 认为。今天在市场上有许多解决方案，而且使用者应该寻找五轴加工机制可信的专家.工艺科技可能使相当对进入这一个领域的新使用者困惑,这能导致在投资上的使气馁和一个无法返回的损失."
速度，准确性和柔性与制造业的知识结合，而且经验能为他们的需要提供帮助，使用者找正确的加工方案,他认为。Zurek 注意到 Mikron's HSM400U HS 五轴加工机器给组合的线性轴上提供 1.7 G 的加速，可以达到40m/min最小的速度。和在 C 轴上的与 B 轴上的 250转/每分钟和 150个转/每分钟的回转比率的进给速度.这给我们的客户工具对我们的机器感到高度地竞争," Zurek 说 " ，而且藉由用我们的软件工具联合我们的加工机床技术，我们普遍见到我们的客户达成到减少循环次数,改良了质量, 和柔性加工的优越性."
比较快速的五轴加工的机制差不多能胜任任何的制造业的加工作业, 金属切削效率提高直接地导致增加的生产力. 正如在三个轴的机制中，工作主机速度高是最好的利益,"库尔特 （Nishimura ，经理，高速机器， Mori Seiki 美国公司）说. 藉由五轴加工的机器，过去限制的因素是旋转的工作台的速度，但是今天的五轴加工的机器持有较快速地旋转的工作台."
藉由 Mori Seiki公司生产的Supermiller 400型五- 轴的 最低五轴控制设备,B- 轴的工作台速度是 200个转/每分, 和加工机床的 B-轴也能作为旋转,以 1500个转/每分的速度. Mori Seiki公司也是提供 GV-505/5 AX 五个轴的 速度控制器, 同类 Supermiller 完全地有五-轴加工轮廓能力和 12,000个转/每分的主轴加速, Nishimura继续道. 以快速的旋转工作台和能力为特色通过 4"(102 毫米) 除经过加工机床之外。当GV-503/5 AX 由三菱控制生产的时候，工艺技术也使用 Fanuc CNC系统.
机器的费用似乎是我今天见到的较大障碍之一.这些机器比他们的三个轴的类似版本更贵很多,Nishimura 说.
五个轴的的自动仪器已经是强力的支柱与航空宇宙市场保持相对地疲软,乔 Kraemer认为（Variaxis 产品经理， Mazak 公司，佛罗伦斯,KY）.Mazak公司最近公布了 7305 X 型的速度控制五轴加工设备，以倾斜范围的 150 度以一张高精密工作台为特色的 Variaxis 和一件 50 锥形轴.航空宇宙是我们的顶端领域, 特别地对于大的机器机械结构的成份相似的平缓、单纯变化曲面的航空零件，五轴的机制是一个较小的市场.
现在许多已经进入 Mazak产品的阵容高精度生产机制设备比较卖得好, 特别地进入引擎制造业之内, 五个轴的仪器帮助减少装备调整。藉由减少装备调整，它减少你的程序工作,"Kraemer 说.我们正在用棱镜方式分析喷气发动机引擎结构，使汽车的引擎结构做得较好. 我们已经严格地为喷气发动机引擎市场制造齿轮连起的一些机器, 而且工艺科技正在巨大地提高, 而过去我们一直只能卖一台五-轴加工机器每一个月."
快速地，单独地调整装备时使用五轴加工机制比三个轴的机器更多的有效率. 五轴加工机器是低体积工作是非常优良的设备, " Doug Gale认为（副总裁和总经理， Handtmann CNC 技术）。
由 Handtmann 公司生产的PBZ NT 800 五轴加工中心，应用于宇宙航空产品的加工，这套设备能同时完成磨、钻、攻螺纹以及零件一部分的车削，不需要任何其它任何机械和操作系统的帮助，Gale说。我们的五轴加工机器的应用在航空宇宙和汽车生产制造中是非常的广泛,"他继续.这些五个轴的机器关键有很多帮助你如何完成部份工作.在许多汽车生产的部门, 像是 Audi 的空间构架相当多的零件正是在我们的五个轴的机器上被以加工制造的出来的。
原 文
Five-axis machining with Delcam's PowerMill software now adds a simulation and verification module to detect collisions.
Machining with five-axis equipment can offer manufacturers many advantages, including dramatically reduced setup times, lower costs per part, more accurate machining, and improved part quality.
For certain applications, particularly in aerospace, five-axis machining helps manufacturers enhance productivity with far fewer setups on a smaller number of machines. Automotive manufacturers and die/mold applications also can realize substantial payoffs from five-axis machining, especially as costs for the latest five-axis gear have declined.
Aerospace demands five-axis for highly contoured aircraft components. The reasons for going with five-axis equipment vary, but the benefits of deploying multiaxis machines center on improved productivity, higher machining accuracy, reduced in-process inventory, and improved operator and machine usage.
"In aerospace, it's primarily to eliminate the need for form cutters, because there are very few, if any, parts in aircraft structures that have straight lines on them," notes Randy Von Moll, technical product manager for the HyperMach line of five-axis machining centers from Cincinnati Lamb (Hebron, KY). "Everything has contour to it, and typically it's a compound contour because of the shapes of aerodynamic structures. Airplanes, especially modern fighters and bombers, are getting stealthier. That means they have more contour, more curvature than ever before, and they must be machined on five-axis equipment."
Standardized tooling saves money and lead time for manufacturers, he adds. "If you can stock multiple tools on your shelves, just standard solid carbide end mills versus having special tools ground with different angles on them to produce the contours, it reduces cost and lead-time."
With Cincinnati Lamb's HyperMach profiler, aerospace users can machine large aircraft parts.
Five-axis configurations vary widely depending on the application, but in aerospace machining, both rotary axes are on the spindle, notes Von Moll, as in Cincinnati's HyperMach, a 70' (21-m) long high-speed five-axis linear motor profiler recently demonstrated cutting at 4000 ipm (102 m/min). In Cincinnati's demo for its aerospace customers, aluminum parts were milled from solid billet stock with spindle speeds to 18,000 rpm while exceeding 130 hp (97 kW) and 450 in.3/min (7374 cm3/min) metal removal rate. The system will be used this summer by aerospace supplier Brek Manufacturing Co. (Gardena, CA) to machine large structural sections of Boeing's (Seattle) C-17 Globemaster transport plane.
"Typically on a large aerospace machine, both rotary axes are on the spindle," Von Moll says. "In our case, the fifth axis is applied as a tilting spindle, to give you full five-axis contouring capability. Other people do a rotary tilting table and put both the rotary motions under the part. Our design has the tilting spindle."
With larger structural parts for aerospace, gantry-type machining systems like the HyperMach also are needed to handle the sheer size of airframe components. "The parts are typically getting larger, not smaller," notes Von Moll, "because the trend is toward monolithic structures. You used to have multiple sheet-metal components that were manufactured and then fastened together mechanically, which demanded a lot of additional assembly tooling and assembly labor."
Programming complexity, aside from high cost, has posed the biggest barriers to widespread adoption of five-axis machinery. "Five-axis machines continue to get faster and more accurate, so it's a technology that's emerging," Brett Hopkins, senior application engineer, machining centers, at Makino (Mason, OH). "It has its applications, but it is certainly not a mature, fully functional technology yet. CAM systems are still very weak. The learning curve for a CAD/CAM operator to become very good with five-axis is a challenge for shops."
Since Makino focuses on high-cost, high-precision five-axis applications, the company's offerings for die/mold haven't been widely received by the industry based on cost, Hopkins says. "Among the European builders, there's a huge push in the five-axis machining centers for die/mold, and they're doing a fairly good job of marketing that philosophy. There are benefits to the five-axis approach, in terms of being able to hit multiple sides of the parts and being able to shorten your tool length on side walls.
"There are some significant limitations to full five axis right now," he adds. "Very few CAM systems can give you good data for full five-axis machining. They are almost all capable of giving you good data for 3+2-axis machining. PowerMILL by Delcam for the machining center area is probably second to none, and then Unigraphics and Open Mind are the other leaders."
"For die/mold, anytime that we can machine in a 3+2 manner, you've got significant benefit to the accuracy and surface finish of your part," says Hopkins. "Full five axis is something to be done when other options are not allowed based on the geometry--you've got to do that in full five axis. And the only industry where we've seen that happen at the moment is in the aerospace industry, like with blisk work, which is a combination of blade and disk. Die/mold can take advantage of three-axis or 3+2."
Competing with Asia and Eastern Europe has led European manufacturers to embrace five-axis technology. CAM software and the sheer cost of five-axis machine tools are now less of an issue than in recent years, notes Mark Forth, PowerMILL product manager for Delcam plc (Birmingham, UK). "The key is that it needs to be easy to use and it absolutely has to do the job," Forth says.
In Europe, manufacturers readily accepted five-axis machining as a way to help compete with lower-cost labor centers in Asia and also in Eastern Europe. Forth notes that Delcam's research showed that more than 50% of Delcam's European customers went into five-axis machining in 2003, while in North America five-axis accounted for about 20% of its sales.
"Because labor's so cheap in other markets, companies that want to remain competitive have to start machining smarter," Forth notes, "which doesn't mean just machining faster or working longer hours. It means looking really closely at your current processes, focusing on your application, and investing in new technology, training, correct tooling, and a host of other factors to cut down lead times, so we can remain competitive.
"It's a really complex issue, and there are many different reasons why adoption of the technology has been slow," he adds. "First, these machines aren't cheap. It's all right if you're a Boeing or another large manufacturer, but for the tooling guys that are thinking of investing in this technology, it's a big chunk of money."
For smaller tool-and-die shops, five-axis equipment ranging from $100,000 to $1 million is a major investment, particularly in a down economy. "There's been inertia because the cost of that technology has historically been so high, but what's happened over the last few years is that we're definitely getting to the stage where these machines are more affordable for these smaller shops."
Smaller shops are now seeing advantages to using five-axis and 3+2 technology, he says. In the tool-and-die industry, 90% of the jobs can be machined extremely efficiently using 3+2 technology, he explains, because it provides greater flexibility to cut the part, reduce tool length, improve surface finish, and we can still employ high-speed, high-efficiency machining techniques.
"Previously when you had a part with a very deep cavity, using long-reach tooling, you would run at very slow feeds and speeds to reduce tool deflection," Forth says. "The manufacturing process is taking far longer because you're having to use a work-around, if you like. An ideal scenario would be to go in with a much shorter tool length to achieve optimum cutting conditions, but to be able to angle the head in such ways that it doesn't collide with the job."
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/7a6d2cb20129bd64783e0912a216147917117e9e.html
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