發布日期：2022-10-09 點擊率：76
隨著制品、零件設計上的高度創意化，由3次元自由曲面。如何能更快又更有效率的生產沖壓模及塑膠模等金屬模，不論在將生產移至海外或模式變換的延長、或是制造業面對如何降低制造成本等急劇的環境變化上，都是非常急重要的對應策略。所以，從金屬模的設計、生產管理及制造等工程上，必須利用電腦來進行資訊化及系統化。
在此前提下，為了要能有更迅速及更高品位對金屬模進行加工，在此就以3次元形狀模式為基本，針對活用多軸控制自動加工機床的加工技術來加以述說。多軸控制自動加工機床是具有并進3軸、回轉3軸的6軸控制。
多軸控制自動加工機床的利用
要使金屬模加工能更具效率及有更高的精度及品質，須在其一旦設定於加工機械上後，即能進行多樣的加工。如此一來，就可以減少因為階段更換所產生的裝置誤差及增加實際加工時間。同時，我們也期望1臺機械能具有從粗加工到整理等多樣工程都能處理的復合加工機能。
多軸控制工作機械能進行具有特徵的加工。具有并進3軸及回轉2軸的5軸控制自動加工機床，比一般的并進3軸能有更多樣化的工具姿勢，所以能節省階段更換的時間，而且也可以進行懸吊形狀加工等復雜的加工。雖然在20多年前就已經開始制造該種機械，但是因為5軸控制自動加工機床具有復雜的構造，十階鄞控制，所以只有在進行特殊的加工上才會使用。然而，在設計技術及控制技術都十分進步的今天，從只要將工倫物設冤一次即可周行高效及高精度的優點而言，被廣泛應用是可期待的。
然而，一般的形狀加工上，為了要提高切削速度，必須將工具或工作物旋轉。所以工作物旋型的加工法，其形狀必須是圓形組合，而工具旋型的加工法，在加工位置則會留下à受到此一限制，就是因為必須有旋轉動作。若能進行不受此限制的形狀加工，則加工形狀所受到的限制勢必減少。
因此，提出下列的新加工法，就是在多能自動加工機床的主軸上裝置適合加工形狀的非旋轉切削工具，并以3D方式來控制工具姿勢及位置。此種加工方式須采用6軸控制，且其切削速度和推送的速度相等，無法提高加工效率，但卻適合要求高品質的部位或旋轉工具無法進行加工之形狀。6軸控制自動加工機床及非旋轉工具如圖1所示。
圖1：6軸控制自動加工機床及非旋轉工具 圖2：加工工程及面粗度
若不進行6軸控制自動加工機床的主軸旋轉分度控制，而采用一般旋轉的話，就變成5軸控制自動加工機床，若再將旋轉2軸固定的話，即可當做3軸控制自動加工機床來做用。若能活用6軸控制自動加工機床的特長，即可得到很大的效果。
圖2是加工工程和表面精細的定性關性，表1則是各工程處理上必要的工具及控制軸數。
| 工程 | 工具 | 控制技術 |
| 高速粗加工 | 旋轉工具高壓冷卻劑 | 3軸/5軸 |
| 中度修潤加工 | 旋轉工具 | 5軸 |
| 精細修潤加工 | 非旋轉工具 | 6軸 |
| 研磨 | 非旋轉工具 | 6軸 |
5軸控制加工的特征
同時5軸控制加工的特征如圖3所示。利用珠頭銑床來進行自由曲面加工時，在通十的部份可以將工具姿勢保持一定，且可維持一定的切削速度，所以能得到良好的面精度。而凸面或曲率較小的曲面，則可使用平頭銑床，增大其(Pickfeed)，而提高了加工效率。
圖3
即使對懸吊的形狀工作物，不用重新設定也可進行加工。無論如何，避開工具和工作物之間的互相干擾來生產工具的路徑是非常重要的。
具有此特徵的5軸控制自動加工機床的構造，是在3軸正交的并進驅動系統上又附加了旋轉傾斜2軸的構成上，又可分成將工作臺旋轉傾斜的工作臺傾斜型、將工具主軸旋轉傾斜的主軸傾斜型、以及工作臺和工具主軸各具有一軸可旋轉傾斜型等3大類。
啟動5軸控制多能自動加工機床的軟體，是由兩動處理系統構成。等一種處理系統，針對球端銑刀或平頭銑床等任意形狀的工具，產生工具和工倫物避免發生互相干披之同時5軸控制工具路徑資料。
因為此處理不是依附在5軸控制自動加工機床的構造上，所以將此處理軸體稱為主處理器。
5軸控制的加工，因為工具可對工倫物采取任意的姿，主軸側(主軸、工具、卡盤)和工作臺側(工作臺、夾具、工作物等)間的干披就變成題所在。所以，首先必須確立能自動回避干披的方法。
回避干擾的方法，和點群資料相似的工具形狀有關，以各切削點的初期工具姿和以3次元系統的固體模式來定義工作物形狀的資料以進行內外的判定，并調查有無干披的情形。
若有干擾的情形時，求取適當的回方向向量，決定不使切削點產生變化的新工具位置，最後即可求得不會發生干擾的工具姿勢。
葉輪形狀及工具路徑產生實例
第二種處理系統，則是以產生的資料為基本，來制作實際上啟動5軸控制自動加工機床的資料之系統，稱之為後處理器。後處理器是依附工作機械的構造上，為法單獨存在，它會考慮避免伴隨旋轉運動而產生過切等情形的線性、使面的進給速速度能保持一定的進給速度控制，并使各種工具姿勢下的切削速度保持一定的主軸旋轉數控制等，將資料變換成各軸的動作。
我們以相片1中的葉輪形狀來做為5軸控制自動加工機床的加工實例。其形狀是由圓柱及自由曲面所構成，3軸控制不但加工困難，同時也會有工具干擾的問題。粗加工及外形以3軸來進行，翼面及翼面間的狹窄部份則以5軸同時來加工。實線代表工具中心點及工具軸向量。在突出部份，會進行工具干擾回避。相片2是加工後的形狀。
5軸控制加工使用的切刃方面，大多是使用球端銑刀的尖端部份，若考慮整理面精度，也可以使用側面切削刃。圖4是其概念的圖示。若考慮整理加工的效率，也可如圖5所示，并用一個工具的尖端切削刃及側面切削刃。
葉輪形狀的工作物 利用前端切刀和側面切刀加工 利用前端切刀和側面切刀加工
6軸控制加工的特征
使用非旋轉工具的話，可以進行旋轉工具因為打滑而無法處理的的切深，可以得到良好的加工面粗細度。因為非旋轉工具加工的切削速度及進給速度相等，可謂是適合整理的加工法。因此，為了提高整體的加工效率，粗加工到中整理為止，應采用切削速度較快的旋轉工具，利用5軸控制的控制法的進行加工，若無法進行加工或想得到良好的面精細度，則最好的方法就是采用6軸控制。
代表6軸控制加工特徵的加工形態如圖6所示。
(a)是曲面精度良好的整理。至於旋轉工具，為了整理曲面，必須使盡量縮小，工具也必須不斷的移動。非旋轉工具是以具有和曲面形狀相吻合的切削刃形狀之工具沿著形狀移動，而得到平滑的表面，所以可采用較大的且移動的次敗較少即可完成整理。
(b)是在曲面上進行非對稱斷面形狀溝的任何形狀加工。溝角部的一方有，另一方則為四角形時，無法以旋轉工具來進行加工，而可以具有和溝斷面相同之形狀的非旋轉工具來進行加工。
(c)於曲面和曲面的交線加工時，因為交線具有形狀特徵，所以稱之為特質線加工。使用旋轉工具的話，交線具有，所以無法得到銳利的交線。而非旋轉工具，因可將切削刃控制在交線部份和兩個曲面的接面以垂直方向相接，并同時延著交線移動，所以可以進行無的加工。
(d)是指凹處加工中，使工作物的角罐有的加工。此種角隅加工是旋轉工具無法處理的。以往都是以刻模放電加工或手工整理來處理，現在可以利用非旋轉工具來進行加工。
在具有上述特色的6軸控制加工中，必須有彈性支撐，以避免在進行非旋轉工具加工時產生跳痕。所以在設計托架時，應考慮采取何種對策，另外，也要預估彈性變形量及其方向來決冤其工具路徑。
非旋轉工具空間內的任意位置上必須可以為任何姿勢，且須具有6個自由度。在加工機械的構成上，也可考慮在使用旋轉工具之5軸控制自動加工機床的主軸上配備分度功能。
試作的6軸控制自動加工機床上，其給軸(X軸)上配備有傾斜工作臺(A軸)，并可對具有旋轉工作臺(B軸)的5軸控制自動加工機床主軸(Z軸)進行分度旋轉(C軸)。其主軸可以在上下方向(Y軸)移動。X、Y、Z的并進移動最小設定單位分別為0.1，A、B、C位為0.36秒。C軸和主軸的旋轉速度相當，5軸控制時則為高速旋轉。
此外，6軸控制時，必須有角度控制，而為了使工具的進給速度和切削速度相等，必須具有高剛性的機械構造。而在整理的切深量只會設定在數um，所以應要求較高的位置決定精度。
控制軟體必須在考慮工作物和工具的相互干擾前提下來生成工具路徑，基本上，就是應該在5軸控制上加上主軸的旋轉分度控制。其控制軟體是由生成回避工作物及工具間互相交換之CL資料的主處理器及制作以資料為基本并對應6軸控制自動加工機床構造之NC資的後處理器所共同構成，和4軸控制的情形相同，會在圖6中所示的每一種加工形態中產生適切的NC資料。
圖7是利用具有異形斷面的工具在曲面上進行溝加工的概念，使用具有圖8所示之斷面形狀的工具，使其保持一定之姿勢來對曲面的接平面進行加工。加工的結果如相片3所示。
具有異形斷面狀的工具 曲面上之異形斷溝加工實例
針對金屬模的迅速、高品質加工上如何活用多軸控制多能向動加工機床的新技術做了以上的說明。因為使用旋轉工具的5軸控制自動加工機床，可以在較少的階段更換下進行復雜形狀的加工，預估將會有更多人導入。
其次，有整理效率化及新加工法，使用非旋轉工具的6軸控制加工法也是值得提倡的，只要設定時，從粗加工到整理都可以在高精度及高效率的情形下來進行的6軸控制復合加工機械之出現，對今後的金屬模生產將會產生很大的影響。
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