掌握CNC铣削：五轴几何究竟如何被切削

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  掌握CNC铣削对材料去除的改变
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  三种机床布局及各自擅长之处
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  零件何时应留在3轴加工
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  装夹与工件夹持在刀具移动前就决定了公差
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  刀具接触、步距与热量
• 6
  哪种铣削装夹适合该零件

铣削通过旋转的多刃刀具进给抵住工件来去除材料。在3轴机床上，刀具轴线保持垂直，因此只能从一个方向接近零件，然后重新装夹以加工下一个方向。刀具接触的一切都由X、Y、Z定义。增加两个旋转轴后，刀具可以在不移动零件的情况下以一定角度接近某个面。仅这一变化就重塑了整个加工任务。

好处不在于速度本身，而在于接触几何。球头刀在斜面上切削时有效直径很小，这意味着刀尖处表面速度低、表面质量差。倾斜刀具使表面法线与刃口以更好的角度相交，可提高有效切削速度，并把磨损分散到刃口全长，而不是烧蚀某一点。

倾斜还能缩短刀具。为够到深壁而装在长刀柄中的刀具在载荷下会偏让，偏让表现为锥度、颤振和尺寸漂移。当转台或主轴旋转时，同一壁面可用短粗刀具和短悬伸长度够到。刚性提高，精度也随之提高。

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  减少装夹工件在一个循环内到达五个面，而不是三四次装夹。
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  更短刀具悬伸更小意味着偏让更小、尺寸控制更好。
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  更好的侧刃接触在斜面和过渡面上，刃口以可用的角度与表面相交。

耳轴式机床把旋转轴放在工作台中：C轴在床身内旋转，A轴在其内部倾斜。零件摆动，主轴保持垂直。这种布局常见于转台上约Ø400 mm以内的零件，因为被移动的质量小，所以定位保持性好。从下方接近受限，因此向下开口的深腔需要另作规划。

龙门式或摆头式机床把两个旋转轴放在主轴头中。工作台保持水平且可以很长，适合长条形棱柱零件。我们的大型机床行程达到4,000 × 400 × 150 mm。代价是主轴头承载旋转驱动，刚度预算消耗在结构更高处。

车铣复合中心在铣削轴之外增加车削主轴。需要车削轴颈和铣削平面或接口的零件可在一个循环内完成。我们运行16台车铣复合中心，以及16台五轴联动加工中心、12台四轴铣床、27台三轴机床，共127台高精度CNC机床。让布局匹配零件是第一个真正的决策。

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  耳轴转台紧凑、刚性好，适合中小型零件。
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  摆头长零件、开放接近、更大加工范围。
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  车铣复合车削特征加铣削特征，无需重新装夹。

五轴并不自动是更便宜的路线。编程和验证耗时更长，机床工时费也高于3轴铣床。如果零件是一块带型腔和孔的板，且都在一个面上，两次装夹的3轴循环通常在成本上更优，也更容易检测。

旋转轴也有位置限制。耳轴摆动超过一定角度时，工装夹具或零件会撞到工作台，而且可达角度随零件变高而改变。带尖锐内角的深腔无论机床布局如何，仍然要用小直径刀具加工。

还有实际的尺寸边界。整体尺寸约20 mm以下时，工件夹持和刀具跳动主导公差预算，倾斜带来的收益很小。几百毫米以上时，长循环中的热漂移开始比轴数更重要。正确的问题不是用几个轴，而是几何形状强制要求几次装夹。

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  单面板类零件留在3轴加工，节省机床时间。
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  尖锐内角小刀具、小步距；轴数帮不上忙。
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  极小零件跳动和装夹决定公差，而不是轴数。

在5轴循环中，零件通常只装夹一次，从多个方向切削。这使得第一次装夹成为唯一装夹，因此其中的任何误差都会留在零件上。应以已加工基准或磨削面定位，而不是锯切面。锯切毛坯可能歪斜一毫米以上，而且误差会随零件旋转。

对于薄壁，支撑比夹紧力更重要。1.5 mm厚的壁在普通台钳载荷下会偏让，切削后回弹，留下弯曲表面，只在夹紧时测量才正确。使用按零件轮廓成形的软爪，或用低熔点夹具材料支撑壁面，并保持夹紧力刚好足以阻止移动。

热状态值得提前规划。主轴以12,000 rpm运行会在第一个小时内使结构升温。对于±0.005 mm的活，早上粗加工，让机床稳定，然后精加工。精加工前再次探测基准只需几分钟，却能捕捉到再仔细编程也无法修正的漂移。

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  以已加工面作基准锯切毛坯不是可靠的定位表面。
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  支撑薄壁仿形软爪比加大夹紧力更有效。
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  精加工前重新测头可捕捉紧公差工件的热漂移。

切屑减薄是决定小径向切深是否可行的关键数值。当径向接触量降到约刀具直径一半以下时，切屑会比每齿进给所预期的更薄，刃口就会摩擦而不是切削。解决办法是随径向接触量下降而提高每齿进给。摩擦会使不锈钢加工硬化并烧坏刃口。