1 、引言
　　隨著科技的發(fā)展，對模具零件加工技術(shù)的要求越來越高，五軸加工技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。五軸加工技術(shù)對自由曲面的加工具有極大的優(yōu)勢，最初用于航空航天裝備零件的加工，后來，隨著五軸加工技術(shù)的不斷成熟和“平民化”，汽車、模具等行業(yè)也開始應(yīng)用五軸加工技術(shù)。
　　五軸加工技術(shù)指機(jī)床使用5 個坐標(biāo)軸（X、Y、Z  3 個坐標(biāo)軸和任意2 個旋轉(zhuǎn)軸）對零件進(jìn)行加工，如圖1 所示。其中，繞X、Y、Z 的旋轉(zhuǎn)軸分別稱為A、B、C軸，相對傳統(tǒng)的三軸加工技術(shù)，增加了A、B、C中的任意2個自由度。

　　五軸聯(lián)動加工和五軸定位加工是2 個不同的概念。五軸聯(lián)動加工是指機(jī)床在計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的控制下，5 個坐標(biāo)軸同時協(xié)調(diào)運(yùn)動，要求加工刀具在5 個自由度上能進(jìn)行任意定位和連接，多用于加工渦輪機(jī)零部件、葉輪等復(fù)雜曲面。五軸定位加工是一種“3+2”的加工方式，根據(jù)加工零件的局部形狀對2 個旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到最佳的加工角度，然后對局部進(jìn)行加工，是模具行業(yè)零件加工逐步開始使用的加工方式。下面以一些典型模具零件為例，簡單分析五軸定位加工與三軸加工的優(yōu)缺點(diǎn)，為描述方便，文中五軸加工均指五軸定位加工。

2 、五軸加工技術(shù)應(yīng)用分析

　　五軸加工能有效地提高機(jī)加工效率，主要體現(xiàn)在：

　?。?）一次裝夾零件，即可完成全部或大部分加工。
　?。?）局部區(qū)域加工精度高，時間短。
　　（3）減少電極數(shù)量，縮短模具生產(chǎn)周期。

　　零件本身的形狀特點(diǎn)決定了其機(jī)加工方式。編程之前需要先對零件各部分形狀進(jìn)行分析，確定零件擺放形式和刀具選用。圖2 為空調(diào)骨架模具零件的三維圖，是模具生產(chǎn)中采用五軸加工技術(shù)加工的典型零件。表1 是空調(diào)骨架模具零件編程前的分析。

　　由表1 可見，五軸加工通過一次裝夾零件，可完成全部或大部分的加工，減輕機(jī)床操作人員的工作量，節(jié)約加工時間，縮短模具制造周期。

　　加工是通過刀具與工件的接觸，利用刀具的高速旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)切削的目的。刀具與被加工工件表面的接觸角度不同，切削原理也不同，最終會導(dǎo)致不同的切削效果和加工質(zhì)量。
 
　　側(cè)刃切削和平面光刀時，刀具與工件是面接觸，相比點(diǎn)接觸的加工效率高，而且表面加工質(zhì)量高，減輕后期零件表面拋光的工作量。采用三軸加工時，只能選擇“斜面”的加工方式，如圖3（b）、3（c）所示。使用球刀，刀具與零件加工表面始終只有一個接觸點(diǎn)，加工效率低，而且兩條刀路之間存在“殘高”，后期必須進(jìn)行拋光且拋光的工作量大。同一個區(qū)域，使用五軸加工，通過定位，待加工表面與刀軸垂直，如圖3（d）、3（e）所示，使用平面光刀的切方式，刀具與工件呈面接觸，加工效率高，延長刀具使用壽命[2]，而且刀路之間不存在“殘高”，加工表面光潔平整，后期進(jìn)行簡單拋光即可達(dá)到要求。

刀具的高速旋轉(zhuǎn)要求刀具有一定的長徑比（長度與直徑之比）。刀具長徑比過大，切削過程中刀具會產(chǎn)生振動，導(dǎo)致加工精度不高，甚至發(fā)生過切。三軸加工時，當(dāng)零件高度較高時，必須選擇直徑較大的刀具并將刀桿加長才能對零件進(jìn)行加工，如圖4 所示，還會產(chǎn)生殘留較多的加工余量且降低零件的加工精度。若采用五軸加工，使用較小的刀具即可實(shí)現(xiàn)零件的加工，保證了零件的加工精度，刀軸與加工表面垂直，零件角落可實(shí)現(xiàn)完全加工，殘留余量小。

　　模具零件加工過程中，需要電極與刀具加工的配合來實(shí)現(xiàn)零件的各種形狀，使用五軸加工可以有效地減少電極數(shù)量。
 
　　產(chǎn)品設(shè)計(jì)決定了模具設(shè)計(jì)，進(jìn)而決定了各零部件的形狀。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時主要依據(jù)客戶要求，講究外形美觀，細(xì)節(jié)精致，使用方便，這樣就給模具零件加工提出了更高的要求。如圖5 所示零件側(cè)壁上有一小臺階，三軸加工時無法加工到位，必須配電極進(jìn)行電火花清根，圖5（a）所示為加工電極，電極外形尺寸103mm×28mm×184mm，加工費(fèi)時。采用五軸加工，選擇合適的角度，如圖5（b）所示，側(cè)壁臺階可完全銑出，無需電火花加工。

　　成型塑件圓角處的型腔加工也是注射模中極為常見的，加工時稱為“清根”。清根時根據(jù)零件圓角半徑選擇合適的刀具，常用小直徑刀具加工，受長徑比限制，刀具長度有限，某些較深的型腔圓角處三軸加工無法加工到位，只能借助電極清根。圖6（a）所示為三軸加工所需清根電極，圖6（b）為五軸加工清根刀路示意圖。表2 為圖6（a）的清根電極尺寸，電極外形尺寸較大，加工費(fèi)時。表3 為二者所需流程和時間的對比分析。由表3 可見，使用五軸加工清根，加工流程簡單，時間短，能有效縮短模具生產(chǎn)周期，節(jié)省人力和設(shè)備的使用。

　采用五軸加工時，刀具和工件的工作空間極為復(fù)雜，二者的相對運(yùn)動也難以想象，為了保證加工程序的準(zhǔn)確性，必須對五軸加工編程進(jìn)行仿真模擬，使運(yùn)動可視化，避免實(shí)際加工中的質(zhì)量事故。NX6.0 軟件可以實(shí)現(xiàn)五軸加工的仿真模擬，調(diào)用零件模型、機(jī)床模型、夾具模型及刀具模型，讀取程序數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工件和刀具之間的相對運(yùn)動，以三維動畫的形式模擬實(shí)際加工中的運(yùn)動和切削過程 。此外也可以對各部件之間的干涉以及零件的過切進(jìn)行檢測，如圖7 所示。通過仿真模擬，編程員可以看到實(shí)際加工過程，及時發(fā)現(xiàn)問題，有效地保障了五軸加工編程的準(zhǔn)確性。

　　五軸加工較三軸加工多了2 個自由度，因此對機(jī)床的性能也有更高的要求，需使用特定的五軸加工機(jī)床。編程時要考慮機(jī)床工作臺尺寸、行程、主軸轉(zhuǎn)速、角度分辨率、旋轉(zhuǎn)角度、承重噸位等，根據(jù)待加工零件實(shí)際情況選擇合適的機(jī)床，結(jié)合機(jī)床性能確定裝夾形式、角度設(shè)置等，要求編程員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，熟悉機(jī)床性能和軟件操作。對機(jī)床和編程員的高要求提升了加工成本，這也是限制五軸加工技術(shù)廣泛應(yīng)用的一個重要因素。

3、 結(jié)束語
　　模具零件生產(chǎn)中采用五軸加工技術(shù)，可以有效地提高加工效率和零件加工精度，減輕零件表面拋光工作量，減少電極數(shù)量，縮短模具生產(chǎn)周期，但是對加工機(jī)床和編程人員的要求較高。隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械裝備制造業(yè)不斷進(jìn)步，五軸機(jī)床制造技術(shù)日益成熟，而且國家也越來越重視人才的培養(yǎng)，這些都為五軸加工技術(shù)的飛速發(fā)展和“平民化”奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，五軸加工在模具零件生產(chǎn)中的應(yīng)用也會日益廣泛。