五轴数控加工技术在电器注塑模具加工中的优越性

摘要：本文通过对电器注塑模具实际的五轴数控编程加工案例介绍和分析，详细阐述充分利用五轴数控加工技术的优越性，进而提高电器注塑模具的加工效率和质量，缩短模具的制造周期。
关键词：五轴数控加工加工效率 PowerMILL 加工工艺

前言

当前模具制造行业中，三轴数控加工技术已经普遍应用并且相对成熟，但随着五轴数控技术的发展与推进，先进的五轴数控加工技术在市场上体现出了明显的优越性，故而引进五轴数控加工技术，建立一个高效率、高质量、短周期、低成本的产品生产框架来适应市场的发展，以求在市场竞争中立于不败之地已经成为我们必须面对的问题。

近段时间，珠海某大型电器模具厂采购我司的五轴数控编程软件PowerMILL，本人接受公司的任务，为该客户进行五轴技术的培训辅导，并结合实际加工进行模具的试切，实例指导客户应用五轴加工技术，让客户看到了客观具体的三轴加工与五轴加工两者的效率和质量对比数据。本文即以此次培训五轴工件试切为例，禅述在电器注塑模具加工当中，五轴数控加工技术相对于传统的三轴数控加工技术的若干优越性。

一、五轴数控加工技术简述

1、五轴刀轴和五轴刀轴控制

五轴是由3个线性轴(Linear axis) 加上2个旋转轴(Rotary axis)组成。

五轴刀轴控制是CAM系统五轴技术的核心。五轴CAM系统计算出每个切削点刀具的刀位点(X,Y,Z)和刀轴矢量(I,J,K)，五轴后处理器将刀轴矢量(I,J,K)转化为不同机床的旋转轴所需要转动的角度(A,B,C)其中的两个角度；然后计算出考虑了刀轴旋转之后线性移动的各轴位移(X,Y,Z)。

2、五轴机床类型

按两旋转轴的运动位置结构来划分，可分为Table-Table、Head-Head、Table-Head三种类型。

1）Table-Table：此类型机床主轴方向不动，两个旋转轴均分布在工作平台上；工件加工时旋转轴随工作台旋转，加工时必须考虑装夹承重，可加工的工件尺寸比较小。

2）Head-Head：此类机床工作台不动，两个旋转轴均在主轴上。机床可加工的工件尺寸比较大。

3）Table-Head：此类机床的两个旋转轴分别处于主轴和工作台上，工作台可以旋转，可装夹尺寸较大的工件；主轴可摆动，改变刀轴方向灵活。

3、定位五轴与联运五轴

根据刀轴参与的加工方案来划分类型，一般可分为如下两类：

1）定位五轴(3+2轴)

定位五轴的刀轴矢量可以进行改变，但固定后沿着整个切削路径过程刀轴矢量不变，控制路径轴X、Y、Z参与旋转轴A(或者B)、C，既是旋转轴A(或者B)、C定位后保持不变，只有X、Y、Z参与控制机床切削移动。

2）联动五轴

整个切削路径过程刀轴矢量可根据要求进行改变变，控制路径轴X、Y、Z控制旋转A(B)、C，即是通常所说的五轴联动加工技术。

二、客户原有的模具数控编程加工工艺概况

为了更好的理解五轴加工技术所带来的效益，先对对客户原有的三轴加工工艺和工序状况稍作介绍。

1、试切机床为德国的“DMG”（DMG－100P）机床；其行程为1000×1000×1000mm；控制系统为heid530；主轴最高转速24000rpm；使用年限：2008年新购，至今将近2年；编程所用的CAM软件为PowerMILL；使用的刀具材质为普通硬质合金涂层刀具；试切工件是一电器面盖注塑模具前模，如图1所示：

2、常规三轴数控加工工艺表，如表1所示：

表1 三轴数控加工工艺表

行号

刀具和加工内容

加工
时间(min)

路径轨迹图示

备注

φ12R0.5
开粗

–

φ8R0
二次开粗

参考前一刀具路径作二次开粗

φ6R0
二次开粗

参考前一刀具路径作二次开粗

φ3R0
二次开粗

参考前一刀具路径对刀具长度允许范围作二次开粗

φ2R0局部二次开粗

参考前一刀具路径对局部范围作二次开粗

φ8R4
中光加工

中光分形面和料位

φ8R4
精加工

精加工分形面和料位

φ12R0.5
中光加工

带2度斜度直纹面中光加工

φ12R0.5
精加工

带2度斜度直纹面精加工

φ3R0光平面和斜度面精加工

光平面和斜度面精加工

φ3R1.5
清角

按刀具伸出长度和参考φ8球刀定义清角范围

φ2R1
清角

局部清角

–

合计时间

252

—

上述三轴加工完成后，图1“B局部截面示意图”中所示的R角位只能使用R1.5的球头刀进行清角，并且局部陡峭位最小只能使用R4的球头刀；图1“Ａ局部截面示意图”中所示的利角位最小使用R1的球头刀；分形枕位所有角位只能使用R1.5的球头刀进行清角；所剩下的残留余量将留给电火花加工完成。nextpage

三、五轴加工工件试切

1．根据机床结构和控制系统型号修改后处理文件

试切机床为德国“DMG”（DMU -100P）机；行程1000×1000×1000mm；heid530控制系统，此机床为Table－Head型，两个旋转轴分别放置在主轴和工作台上，工作台旋转，主轴摆动，改变刀轴方向灵活，且为非标DMU -100P机床，与一般的标准DMU -100P机床不同之处在于主轴摆动轴是绕X轴旋转为A轴，摆角为-125度至10度，而不是主轴摆动轴是绕Y轴旋转的B轴，摆角为-100度至90度。另外，还需增加特定的“ATC高速高精度自适应功能”指令。所以还需对PowerMILL标准后处理文件（*.opt）作修改：

a) 将摆动轴设置为“azimuth axis = A”，将摆动轴的旋转参照轴改为X轴“azimuth axis param= ( 0.0 0.0 0.0 1.0 0.0 0.0 ) ” 将旋转轴的摆动极限修改为-125度至10度 “rotary axis limits= ( -125.0 10.0 -99000.0 99000.00.01 1 ) ”具体修改参数如下：

define keys
… …
azimuth axis = A
elevation axis = C
end define
… …
azimuth centre = ( 0.0 0.0 0.0 )
azimuth axis param = ( 0.0 0.0 0.0 1.0 0.0 0.0 )
… …
rotary axis limits = ( -125.0 10.0 -99000.0 99000.00.01 1 )

b) 增加特定的“ATC高速高精度自适应功能” 即增加CYCL DEF 392 ATC循环指令，具体修改参数如下：

define block user TOOL_CHANGE_COMMON
N ; G1 ; ” Z-5 FMAX” ; M1 91 =C
… …
N ; ” CYCL DEF 392 ATC ~ ”
” Q240=+2;Process Mode ~ ”
” Q241=+2;Default Weight ”
end define

2．NC程序代码含义

PowerMILL后处理产生的NC程序段代码及含义如下：

0 BEGIN PGM 80_ATC MM 程序开始
10 ; Job Number : rou-e12
11 ; Program Date : 06.03.08 – 22:23:24
12 ; Programmed by: ysr
13 ; PowerMILL Cb : 1098025 编程项目相关信息
14 ; DP Version : 1490
15 ; Option File : DMU100P-H530
16 ; Output Workplane : 1
17 ;
18 ; TOOL LIST : 3 tools
19 ; No. ID Diameter Tip Rad Length
20 ; 1 e12 12.0000.00060.000
21 ; 2 e12 12.0000.00060.000 所有刀具信息
22 ; 3 b10 10.0005.00050.000
23 ;
24 ; ESTIMATED CUTTING TIME : 3 TOOLPATHS = 00:12:34 ) 理论加工时间
25 ;
26 LBL 170
27 CYCL DEF 7.0 DATUM SHIFT 原点平移
28 CYCL DEF 7.1 X0.000
29 CYCL DEF 7.2 Y0.000 定义子程序“LBL 170”
30 CYCL DEF 7.3 Z0.000
31 PLANE RESET STAY PLANE 功能复位（倾斜加工面）
32 LBL 0
33 BLK FORM 0.1 Z X-60.009 Y-50.003 Z-25.0 定义毛坯形状
34 BLK FORM 0.2 X150.006 Y50.008 Z30.0
35 L M129 取消M128 （RTCP功能）
36 L M140 MBMAX 沿刀轴退离轮廓至行程范围极限
37 ; TOOL NUMBER : 1
38 ; TOOL TYPE : ENDMILL
39 ; TOOL ID : e12 当前刀具信息
40 ; TOOL DIA. 12.000 LENGTH 60.000
41 TOOL CALL 1 Z S3500 DL+0.0 DR+0.0 换刀指令，开转速，长度、半径补偿为0
42 L Z-5 FMAX M91 Z轴回机床原点下5mm
43 Q1= +1500 ; PLUNGE FEEDRATE Q参数赋值下切速度
44 Q2= +2200 ; CUTTING FEEDRATE Q参数赋值切削速度
45 Q3= +10000 ; RAPID SKIM FEEDRATEQ参数赋值快进抬刀速度
46 Q4= +15000 ; RAPID FEEDRATE Q参数赋值快进速度
47 CYCL DEF 392 ATC ~激活高速高精度自适应循环
Q240=+2;Process Mode ~ ATC表面光洁度优先
Q241=+2;Default Weight表示工件重量为默认
48 CYCL DEF 32.0 TOLERANCE 激活公差循环
49 CYCL DEF 32.1 T0.100 定义公差置（轮廓偏差）
50 CYCL DEF 32.2 HSC-MODE:0 定义公差置（更高的轮廓精度）
51 L M03 M03主轴顺转
52 L M129 取消M128 （RTCP功能）
53 ;
54 CALL LBL 170
55 CYCL DEF 7.0 DATUM SHIFT
56 CYCL DEF 7.1 IX+0.000
57 CYCL DEF 7.2 IY+0.000
58 CYCL DEF 7.3 IZ+50.000
59 PLANE SPATIAL SPA+0.000 SPB+0.000 SPC+0.000 STAY 定义并启动PLANE空间角功能
60 L A+Q120 C+Q122 FQ4 M126 用TNC 计算的值定位，M126旋转轴旋转轴上的最短路径移动
62 ; =========
63 ; TOOLPATH : rou-e12 当前刀具路径名
64 ; WORKPLANE : World 程序编写用户坐标系
65 ; =========
66 L M08 M08冷却液开启
67 L X+150.499 Y-56.284 FQ3
。。。。。。
1223 L Z+38.000 FQ3
1224 L M127 取消M126
1225 CALL LBL 170执行子程序“LBL 170”
1226 L M128 用倾斜轴定位时保持刀尖位置（RTCP功能）
1227 L X+32.353 Y-3.083 Z+88.000 A0.000 C0.000 FQ3
1228 L X-31.465 Y-38.000 Z+67.500
。。。。。。
1708 L X+111.057 Y+21.866 Z+30.000 FQ3
1709 L Z+88.000
1710 L M09 M08冷却液关闭
1711 L M129 取消M128
1712 L M127 取消M126
1713 CALL LBL 170执行子程序“LBL 170”
1714 L M140 MBMAX 沿刀轴退离轮廓至行程范围极限
1715 L A0.000 C0.000 R0 F MAX M94 A、C轴归0，M94将旋转轴的显示值减小到360°以下
1716 L M05 主轴停止
1717 CYCL DEF 32.0 TOLERANCE
1718 CYCL DEF 32.1
1719 L M30程序结束
1720 ;
1721 END PGM 80_ATC MM 传送程序结束

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五轴数控加工技术在电器注塑模具加工中的优越性

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