【摘要】以实际模具零件加工为例，通过与3轴编程技术进行对比，详细阐述了5轴加工独特的优越性，及其编程技术的复杂性和灵活性。
关键词：5轴加工;编程技术;模具零件
1、引言
数控零件加工程序的编制是数控加工的基础，国外数控加工统计表明，造成数控设备空闲的原因大约占20%~30%是编程引起的，可见数控编程直接影响设备的使用效率。
对于5轴编程来说，主要有以下特点：编程复杂、难度大，因为5轴加工不同于3轴，他除了3个直线运动外、还有两个旋转运动参与，其所形成的合成运动的空间轨迹非常复杂和抽象，一般难以想象和理解;在3轴机床上，同一条程序可以在不同的机床上获得同样的加工效果，但是在某一条5轴程序，却不能适用于所有类型的机床;5轴加工程序与刀具设定有密切关系，一旦刀经或刀长改变时，原来的程序便不能使用，需要重新产生一条程序。
25轴加工技术在模具加工中的优点
5轴加工能够有效的提高机加工效率，主要体现在：①一次装夹零件，即可完成全部或大部分的加工;②局部区域的加工精度高，时间短;③减少电极数量，缩短模具的生产周期;④提高加工质量。由于5轴加工中刀具具有更灵活位姿，可采用平刀，平刀加工以面带形，可以保证高速切削，而且加工后的表面更连续光滑。所以可以大大的减少抛光量;⑤扩大了工艺范围。有些复杂的零件，加工时需要转动刀具轴线，否则很难甚至无法加工，在模具加工中某些场合，只有采用5轴联动才能避免刀具与零件干涉;⑥适应模具行业高精度、小批量、交货周期短和们目前数控机床发展的新方向——复合化、自动化的要求。
35轴加工与3轴加工在模具加工中的对比
零件本身的形状特点决定了其机加工的方式。编程之前需要先对零件各部分形状进行分析，确定零件的摆放方式和刀具选用。图1所示为空调底壳模具零件的三维图，是模具制造中采用5轴加工技术的典型零件。表1是空调底壳模具零件编程前的分析。
(1)3轴加工和5轴在装夹时间上对比。
由表1可见，5轴加工通过一次装夹零件，可完成全部或大部分的加工，减轻机床操作人员的工作量，节约加工时间，缩短模具制造周期。
(2)3轴加工和5轴加工在加工效率和加工质量上对比。
加工是通过刀具与工件接触，利用刀具的高速旋转来实现切削的目的。刀具与被加工工件表面接触角度不同切削原理也不同，最终会导致不同的切削效果和加工质量。
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侧刃切削和平面光刀时，刀具与工件是面接触，相比点接触的加工效率高，而且表面加工质量高，减轻后期零件表面抛光的工作量。采用3轴加工时，只能选择“斜面”的加工方式，如图2b、图2c所示。使用球刀刀具与零件表面始终只有一个接触点，加工效率低。而且两条刀路之间存在“存在残留高度”，后期必须进行抛光且抛光的工作量大，同一区域，使用5轴加工，通过定位，待加工表面与刀轴垂直，如图2d、图2e所示，使用平面光刀的切削方式，刀具与工件呈面接触，加工效率高，延长刀具寿命，而且刀路之间不存在“残高”，加工表面光洁平整，后期进行简单抛光即可达到要求。
(3)3轴加工和5轴加工在使用刀具长径比上的对比。
刀具的高速旋转要求刀具具有一定的长径比。刀具长径比过大，切削过程中刀具会产生振动，导致加工精度不高，甚至发生过切。3轴加工时，当零件高度较高时，必须选择直径并将刀杆加长才能对零件进行加工，如图3所示，还会产生残留较多的加工余量且降低零件的加工精度。若采用5轴加工，使用较小的刀具即可实现零件的加工，保证了零件的精度，刀轴与表面垂直，零件角落可实现完全加工，残留余量小。
(4)3轴加工和5轴加工在使用电极数量上的对比。
模具零件加工过程中，需要电极与刀具加工的配合来实现零件的各种形状，使用5轴加工可以有效的减少电极数量。
产品设计决定了模具设计，进而决定了个零部件的形状，产品设计时主要依据客户要求，讲究外观美观、细节精致，使用方便，这样就给模具零件加工提出了更高的要求。如图4所示零件侧壁上有一小台阶，3轴加工时无法加工到位，必须设计电极进行电火花清根，图4a所示为加工的电极，电极外形尺寸103×28×184mm，加工费时，采用5轴加工，选择合适的角度，如图4b所示，侧壁台阶可完全加工出来，无需电火花加工。
很多产品圆角的型腔加工也是模具加工中极为常见的，加工时成为“清角”，清角时根据零件的圆角半径选择不同的刀具，常用小刀具加工，受刀具长度影响，某些较深的位置3轴无法加工到位，需要设计电极清角。图5所示为3轴加工需要的电极，图6为5轴加工清角刀路示意图，表2为3轴加工所需要的电极尺寸，电极较大，加工费时。由表3可见，使用5轴加工请角，加工流程简单，时间短，能有效缩短模具生产周期，节省人力和设备的使用。
45轴加工技术在模具加工中需要注意的问题
由于模具零件根据产品的不同具有相当的复杂性。采用5轴加工时，刀具和工件的工作空间极为复杂，二者的相对运动也难以想象，这就需要编程人员具有相当的空间思维能力，对机床运动过程和结构要十分熟悉。为了保证程序的安全性，必须要对程序进行仿真模拟，使其运动过程可视化，避免了实际加工中的质量事故。目前的CAM软件可以实现调入零件、调入夹具、调入刀具、调入机床、运行程序，实现工件和刀具之间的相对运动，以三维动画形式模拟实际加工中的运动和切削过程。同时也可检测夹具等其他部件和刀具及机床之间发生的干涉，如图7所示，通过模拟仿真，编程员可以看到实际的加工过程，及时发现问题，有效的保障了5轴加工编程的准确性。
5免抛光或少抛光的5轴加工方法
模具加工普遍使用球头铣刀来加工，球头铣刀在模具加工中带来好处非常明显，但是如果用立式加工中心，其刀具顶点的线速度为零，如图8、图9所示，这样底面的光洁度就很差，如果使用5轴加工技术加工模具，可以克服上述不足。可使用刀具侧刃加工，由于刀具接触点有较高的线速度，如图10、图11所示，使得加工出来的零件表面光洁度相对3轴有很大提高。
65轴侧刃加工技术在模具加工中的应用
目前5轴加工技术向着更高效、更经济的方向发展。而侧刃加工技术由于加工效率高，再结合5轴刀姿灵活，使用侧刃加工更有优势。所以5轴侧刃加工技术逐步成为了5轴高效加工的代表，目前已经在产品加工中广泛使用。由于侧刃加工技术对刀具要求较高，再加上模具零件的复杂性，所以该技术在模具行业一直没有得到很广的应用。由于近年刀具技术的快速发展，使得侧刃加工技术在模具行业应用成为可能。由于拥有行业先进5轴设备、再加上快速发展的产能需要，所以考虑通过探究5轴侧刃(刀具)加工技术在模具加工的应用来提高模具加工的效率将成为可能。
7结语
通过与3轴加工在各个方面的对比，可以清楚地了解到5轴加工其独特的优越性，而优秀的数控程序是实现5轴优秀加工特点的重要条件，开展数控5轴编程实践意义重大。数控编程时应首先要注意加工方法的安全性;其次刀轨直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命，因此应当保证刀具轨迹光滑平稳;最后刀具载荷直接影响刀具的寿命，要尽量使刀具载荷均匀。在保证程序安全的前提下，5轴加工技术的高效性简洁性将会是未来的发展方向，谁能占领这一制高点，将是未来竞争的关键。——论文作者：任明强，魏培杰，冯亚坤
