5軸CNC數(shù)控機床知識要點
魔猴君 知識堂 278天前
5軸CNC銑床展示了復(fù)雜的計算控制如何促進(jìn)無與倫比的制造能力,坦率地說,當(dāng)它繞軸移動和旋轉(zhuǎn)時,觀看起來令人著迷。它能夠處理3軸銑床無法處理的幾何形狀,并且具有3D打印機剛剛開始具備的自由度。
在本文中,魔猴網(wǎng)將和大家一起學(xué)習(xí)5軸CNC加工知識要點。
3軸還不夠嗎?
5軸CNC銑床復(fù)雜形狀(來源:Marti Deans via Autodesk)
計算機數(shù)控,通常稱為CNC,是一個術(shù)語,用于指工具頭沿著預(yù)定路徑移動以完成各種任務(wù)(例如鉆孔、切割、打印或銑削)的系統(tǒng)。
在制造商社區(qū)中,術(shù)語“CNC”通常用來指數(shù)控銑削,這是一種涉及主軸作為刀頭的工藝。然而,值得注意的是,CNC的用途遠(yuǎn)不止銑削。
不過,在本文中,我們將重點關(guān)注CNC銑削:切削刀具系統(tǒng)地去除材料以產(chǎn)生最終幾何形狀的過程。在這個減材過程中,計算機負(fù)責(zé)將CAD設(shè)計轉(zhuǎn)換為坐標(biāo),切割工具可以使用坐標(biāo)作為在何處去除材料并揭示最終物體的指示。
5軸數(shù)控銑削揭秘
3軸銑削(左)與5軸銑削(右)(來源:Octavian Bologa,來自Procedia Computer Science)
五軸數(shù)控銑床是普通銑床的高級變體,其中切削刀具能夠同時沿五個不同的軸移動。只有有了這種運動自由度,才能產(chǎn)生某些復(fù)雜的幾何形狀。
深受愛好者歡迎的常規(guī)3軸CNC銑床根本無法以任何會產(chǎn)生部分空腔和懸伸的方式移動切削主軸,例如,如果在加工過程中不手動調(diào)整材料的話。
常見的數(shù)控銑削材料通常是塑料、金屬、樹脂、蠟或木材。由于數(shù)控銑床幾乎可以配備任何類型的鉆頭,因此也可以加工任何可以合理、安全地鉆孔的材料。
由于能夠用堅固、耐用的材料制造復(fù)雜零件,5軸CNC銑削成為航空航天工業(yè)中常見的制造和原型解決方案,而該行業(yè)無疑需要高強度、復(fù)雜的幾何形狀來滿足苛刻的應(yīng)用。
超越第三軸
列出所有五個軸的圖表(來源:All3DP)
觀眾中喜歡數(shù)學(xué)的讀者可能想知道這兩個額外的軸到底是從哪里來的。畢竟,笛卡爾坐標(biāo)系只有3個軸——X、Y和Z。答案出人意料地非常簡單,5軸CNC增加了一個圍繞X軸和Y軸的附加旋轉(zhuǎn)軸。這些稱為旋轉(zhuǎn)軸,而標(biāo)準(zhǔn)X、Y和Z方向稱為平移軸。
上圖顯示了五個軸。某些機器中確實存在旋轉(zhuǎn)Z軸,但實際上,6軸CNC銑床是一種罕見的品種,因為第六軸在高端或利基應(yīng)用之外幾乎沒有帶來什么好處。然而,它們?nèi)匀淮嬖冢拖襁@些提供第三個旋轉(zhuǎn)軸的6軸CNC機床一樣。
3軸世界中的5軸
CNC銑床可以通過兩種機械方式實現(xiàn)其5軸能力:旋轉(zhuǎn)刀頭或移動工作臺(以及材料塊)。
顧名思義,旋轉(zhuǎn)頭機器可以圍繞材料塊操縱工具頭,從不同角度進(jìn)入狹小的空間。這種方法可以加工更大、更重的物體,因為材料塊在整個過程中保持靜止。
另一方面,在工作臺上移動物體的數(shù)控銑床(也稱為耳軸)通過旋轉(zhuǎn)放置材料的工作臺來實現(xiàn)額外的兩個自由軸。這種方法的好處是速度和穩(wěn)定性,盡管太大或太重的物體不能以這種方式旋轉(zhuǎn)。
5軸數(shù)控銑床
連續(xù)5軸CNC機床正在發(fā)揮其最大作用(來源:Patrik Uhlí?視頻來自YouTube)
5軸加工是一項復(fù)雜但可行的技術(shù)。有些機器是專門為該任務(wù)而設(shè)計的,并采用連續(xù)數(shù)控方法。這涉及到在所有5個軸上不斷調(diào)整切削刀具,以保持鉆頭與切削表面最佳垂直。
另一方面,某些機器(例如Haas VF-4)可以通過添加耳軸進(jìn)行修改以獲得兩個附加軸。這種情況是3+2軸加工方法,它將零件鎖定在某個角度,該角度由繞X和Y的旋轉(zhuǎn)軸確定,同時刀頭在3軸上移動以切割零件。
連續(xù)銑削與3+2軸銑削
連續(xù)CNC的主要優(yōu)點:速度。在此過程中,無需停止切削來多次重新定位零件,連續(xù)5軸CNC可以快速完成工作。然而,值得注意的是,連續(xù)移動的工具頭需要更多的移動部件(即更多的磨損)并且需要更先進(jìn)的碰撞檢測。
hyperMill等CAM工具在制造時考慮了5軸銑削?。▉碓矗篊AM by Open Mind via YouTube)
在3軸機床中,重力和夾具共同作用,確保物體在加工時保持安全。因此,零件應(yīng)具有最小厚度(取決于材料),以確保從特定方向加工時不會折斷。為了確保零件以足夠的力固定在銑床上,通常使用液壓夾具或零點虎鉗等工具。
當(dāng)使用重型切削刀具時,材料碎片會高速飛得到處都是,確保刀頭不會在意外位置與原料發(fā)生碰撞非常重要。事實證明,跟蹤3D空間中的所有內(nèi)容是一項重大的編程挑戰(zhàn)。
5軸數(shù)控銑床的作用
5軸銑削可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的零件,但這并不是制造它們的唯一方法(來源:Jordan Hart via YouTube)
5軸加工何時有意義?當(dāng)零件需要具有一定強度、完全無孔或由獨特的庫存材料制成時,它是最好的選擇。在這種情況下,即使是技術(shù)最先進(jìn)的DMLS 3D打印機也無法滿足您的需求。
此外,5軸數(shù)控加工可用于精確修改具有復(fù)雜特征的現(xiàn)有物體,這即使是高端3D打印機也無法實現(xiàn)。話雖如此,5軸加工也不是解決任何制造商困境的完美解決方案。
局限性
這是一個更加復(fù)雜的過程。雖然3D打印機可以打開并且通常不用管,但需要對5軸CNC銑床投入更多時間和注意力。這是因為毛坯需要反復(fù)重新定位,工具頭需要校準(zhǔn)和更換,并且CAM需要分步運行。
其幾何能力仍然相對有限。雖然可以實現(xiàn)最復(fù)雜的幾何形狀,但比3軸銑床更復(fù)雜,但仍然無法與許多3D打印機實現(xiàn)的效果相媲美。例如,即使是5軸CNC銑床也無法用實心坯料制造空心球體。
生產(chǎn)過程中材料被浪費。根據(jù)3D打印機的技術(shù),數(shù)控銑床可能會浪費更多的材料(畢竟,這是一種減材制造工藝)。不過,這種情況有時可以得到緩解,因為鋁和鋼等工廠廢物通??梢员皇占⒒厥盏叫聨齑嬷?。
顯然,這些都不足以成為避免5軸CNC加工的理由,但在處理可以從5軸方法中受益的項目時,仍然最好記住這一點。
編譯整理:ALL3DP