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魔猴君 知識(shí)堂 341天前
5軸CNC銑床展示了復(fù)雜的計(jì)算控制如何促進(jìn)無(wú)與倫比的制造能力,坦率地說(shuō),當(dāng)它繞軸移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)時(shí),觀(guān)看起來(lái)令人著迷。它能夠處理3軸銑床無(wú)法處理的幾何形狀,并且具有3D打印機(jī)剛剛開(kāi)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(shí)要點(diǎn)。
3軸還不夠嗎?
5軸CNC銑床復(fù)雜形狀(來(lái)源:Marti Deans via Autodesk)
計(jì)算機(jī)數(shù)控,通常稱(chēng)為CNC,是一個(gè)術(shù)語(yǔ),用于指工具頭沿著預(yù)定路徑移動(dòng)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(yǔ)“CNC”通常用來(lái)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(guò),在本文中,我們將重點(diǎn)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(guò)程。在這個(gè)減材過(guò)程中,計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)將CAD設(shè)計(jì)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(lái)源:Octavian Bologa,來(lái)自Procedia Computer Science)
五軸數(shù)控銑床是普通銑床的高級(jí)變體,其中切削刀具能夠同時(shí)沿五個(gè)不同的軸移動(dòng)。只有有了這種運(yùn)動(dòng)自由度,才能產(chǎn)生某些復(fù)雜的幾何形狀。
深受愛(ài)好者歡迎的常規(guī)3軸CNC銑床根本無(wú)法以任何會(huì)產(chǎn)生部分空腔和懸伸的方式移動(dòng)切削主軸,例如,如果在加工過(guò)程中不手動(dòng)調(diào)整材料的話(huà)。
常見(jiàn)的數(shù)控銑削材料通常是塑料、金屬、樹(shù)脂、蠟或木材。由于數(shù)控銑床幾乎可以配備任何類(lèi)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(jiān)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(jiàn)的制造和原型解決方案,而該行業(yè)無(wú)疑需要高強(qiáng)度、復(fù)雜的幾何形狀來(lái)滿(mǎn)足苛刻的應(yīng)用。
超越第三軸
列出所有五個(gè)軸的圖表(來(lái)源:All3DP)
觀(guān)眾中喜歡數(shù)學(xué)的讀者可能想知道這兩個(gè)額外的軸到底是從哪里來(lái)的。畢竟,笛卡爾坐標(biāo)系只有3個(gè)軸——X、Y和Z。答案出人意料地非常簡(jiǎn)單,5軸CNC增加了一個(gè)圍繞X軸和Y軸的附加旋轉(zhuǎn)軸。這些稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)軸,而標(biāo)準(zhǔn)X、Y和Z方向稱(chēng)為平移軸。
上圖顯示了五個(gè)軸。某些機(jī)器中確實(shí)存在旋轉(zhuǎn)Z軸,但實(shí)際上,6軸CNC銑床是一種罕見(jiàn)的品種,因?yàn)榈诹S在高端或利基應(yīng)用之外幾乎沒(méi)有帶來(lái)什么好處。然而,它們?nèi)匀淮嬖?,就像這些提供第三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的6軸CNC機(jī)床一樣。
3軸世界中的5軸
CNC銑床可以通過(guò)兩種機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)其5軸能力:旋轉(zhuǎn)刀頭或移動(dòng)工作臺(tái)(以及材料塊)。
顧名思義,旋轉(zhuǎn)頭機(jī)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?yàn)椴牧蠅K在整個(gè)過(guò)程中保持靜止。
另一方面,在工作臺(tái)上移動(dòng)物體的數(shù)控銑床(也稱(chēng)為耳軸)通過(guò)旋轉(zhuǎn)放置材料的工作臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)額外的兩個(gè)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(jī)床正在發(fā)揮其最大作用(來(lái)源:Patrik Uhlí?視頻來(lái)自YouTube)
5軸加工是一項(xiàng)復(fù)雜但可行的技術(shù)。有些機(jī)器是專(zhuān)門(mén)為該任務(wù)而設(shè)計(jì)的,并采用連續(xù)數(shù)控方法。這涉及到在所有5個(gè)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(jī)器(例如Haas VF-4)可以通過(guò)添加耳軸進(jìn)行修改以獲得兩個(gè)附加軸。這種情況是3+2軸加工方法,它將零件鎖定在某個(gè)角度,該角度由繞X和Y的旋轉(zhuǎn)軸確定,同時(shí)刀頭在3軸上移動(dòng)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(diǎn):速度。在此過(guò)程中,無(wú)需停止切削來(lái)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(dòng)的工具頭需要更多的移動(dòng)部件(即更多的磨損)并且需要更先進(jìn)的碰撞檢測(cè)。
hyperMill等CAM工具在制造時(shí)考慮了5軸銑削?。▉?lái)源:CAM by Open Mind via YouTube)
在3軸機(jī)床中,重力和夾具共同作用,確保物體在加工時(shí)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(shí)不會(huì)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(diǎn)虎鉗等工具。
當(dāng)使用重型切削刀具時(shí),材料碎片會(huì)高速飛得到處都是,確保刀頭不會(huì)在意外位置與原料發(fā)生碰撞非常重要。事實(shí)證明,跟蹤3D空間中的所有內(nèi)容是一項(xiàng)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(lái)源:Jordan Hart via YouTube)
5軸加工何時(shí)有意義?當(dāng)零件需要具有一定強(qiáng)度、完全無(wú)孔或由獨(dú)特的庫(kù)存材料制成時(shí),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(jī)也無(wú)法滿(mǎn)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(jī)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。話(huà)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(gè)更加復(fù)雜的過(guò)程。雖然3D打印機(jī)可以打開(kāi)并且通常不用管,但需要對(duì)5軸CNC銑床投入更多時(shí)間和注意力。這是因?yàn)槊餍枰磸?fù)重新定位,工具頭需要校準(zhǔn)和更換,并且CAM需要分步運(yùn)行。
其幾何能力仍然相對(duì)有限。雖然可以實(shí)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(wú)法與許多3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)的效果相媲美。例如,即使是5軸CNC銑床也無(wú)法用實(shí)心坯料制造空心球體。
生產(chǎn)過(guò)程中材料被浪費(fèi)。根據(jù)3D打印機(jī)的技術(shù),數(shù)控銑床可能會(huì)浪費(fèi)更多的材料(畢竟,這是一種減材制造工藝)。不過(guò),這種情況有時(shí)可以得到緩解,因?yàn)殇X和鋼等工廠(chǎng)廢物通??梢员皇占⒒厥盏叫聨?kù)存中。
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(xiàng)目時(shí),仍然最好記住這一點(diǎn)。
編譯整理:ALL3DP