如何推进五轴MC的切割技术，实现高效率和高产量

在生产现场通过机器人辅助自动化和在数控机床上实现远程操作等生产创新正在飞速发展中。五轴加工中心（MC）上市已经有一段时间了，其效果在简化流程、减少切削时间和提高精度方面已经得到认可，并且在加工形态方面有更大的灵活性，预计这将促进零件的整合。这些好处是公认的。另一方面，五轴MC在生产中的使用是有限的，这可能是由于对五轴MC的工具和切割技术还不太了解。另一方面，五轴MC的NC控制系统已经开始通过网络功能提供信息，以及旨在提高切割精度和减少切割时间的举措。例如，机内测量和自动刀具补偿系统极大地提高了切削精度，并正在改变人们对5轴MC的认识。在过去的几年里，用于精密微切削和专用微直径立铣刀的MC的发展取得了进展，新的发展势头良好，也不断出现了很多高效率和高精确度的例子。

本文根据去年在东京Big Sight（东京有明）举行的第31届日本国际机床展览会（JIMTOF2022）上获得的信息，介绍了利用立铣刀特性的五轴MC的切削技术，并介绍了五轴MC的最新趋势和应用实例。

JIMTOF2022上的五轴MC新趋势

JIMTOF2022自2018年以来首次以面对面的形式举行，吸引了大量的参观者。展厅内展示了机床、切削工具和其他设备，其中信息时代的举措作为一种新趋势吸引了人们的注意。

例如，切削和生产状态的可视化、NC程序的自动生成、先进的模拟软件以及其他实时情况监控和追求高性能的例子都被介绍了出来。特别是，下一代5轴MC的竞争正在开始，它具有智能和信息导向功能。

例如，图 1显示了小型5轴MC上生产现场的可视化实例，其中刀具、生产量等信息能够显示在 NC 控制器的显示屏上，该控制器具有与机器人和各种传感器的网络功能。

图 2显示了一个带有机内测量和自动刀具补偿的5轴MC的例子，它因其几微米的高精度切割演示和光滑成品表面的切割样品而吸引了人们的注意，甚至看不到最微弱的切割痕迹。

数控系统对五轴MC的高功能和高精度起着重要作用，除了机器本身，开发软件的竞争已经开始，如提供具有更高的原创性的系统，包括安装自主开发的数控设备和专用的CAMs。除了机器本身，开发软件的竞争已经开始，如提供具有更高原创性的系统，包括安装自主开发的数控设备和专用CAM。

5轴MC如何进行Axis MC的活用

如果5轴MC要作为核心生产设备，就需要了解3轴控制MC和5轴MC的立铣刀在切削技术上的差异。
①立铣刀具有较短的颈下长度和锥形形状，这增加了刀具的刚性，可以在较高的切削条件下获得较高的切削刃载荷。
②用外缘倾斜的立铣刀进行切削，可以获得较高的实际切削速度。
③多面切割有望简化生产过程。换句话说，提高切削速度是提高切削精度和减少刀具磨损的有效手段，而五轴MC能以高实际切削速度进行切削，在提高精度和刀具寿命方面具有优势。

图 3显示了5轴MC中立铣刀的姿态。 由于实际切削速度高的外缘是切削点，所以每个立铣刀的倾斜角度都是设定的。如图 4所示，可以应用于具有短刀颈、锥形且刃数多的高刚性立铣刀，因为它们对工件的可接近性高。

在刀刃负荷（切削深度和进给率）和实际切削速度增加的切削条件下，特别是在进给率增加的切削中，高刚性立铣刀可望有效缩短切削时间和刀具寿命。例如，图 5显示了在具有大突起的加工轮廓中切削面的比较，在3轴MC中会出现颤振，而在5轴MC中可以实现稳定切削。因此，五轴MC切削时的精加工次数最少，在缩短切削时间和提高切削精度方面有很大的区别。

方形立铣刀也有很多功能，主要集中在周边刃的切削上，但也需要有底刃的切削功能，在三轴MC切削中，刀路是由前刃和后刃形成的斜角花纹。五轴MC允许刀具倾斜（图 3），例如倾斜到1°，这样可以在切削过程中后刃不接触（愈合）。这对切削表面粗糙度和刀具磨损是有利的。

可以看出，五轴铣削是一种与三轴铣削完全不同的铣削工艺，除了切削效率外，在刀具磨损方面也有优势。接下来，为了有效利用五轴MC，必须考虑到以下几点。

1、单个工具数据库的建设和应用

为了充分利用专用立铣刀的特性，必须提供各个刀具轨迹和切削条件（最小和最大切削深度、进给率、切削速度范围等）的信息。图 6显示了一个刀具信息系统的例子。

2、适用于热套工艺的刀具

五轴MC可以用固定刀轨与立铣刀的固定切削点进行切削，高速旋转时的跳动精度对切削精度和刀具寿命有很大影响。换句话说，此时使用振动精度较高的热套刀具是比较有效的。

3、专用的CAM和模拟软件

对于高精度，机内测量系统和自动刀具校正软件是有效的。在精加工前测量工件表面并检查实际的精加工余量可以实现更高的切割精度。图 7展示了一个有效利用机内测量和数据的系统实例。4、专用夹具和分离系统在全自动机器人辅助系统中的应用。

未来的生产现场有望通过机器人实现自动化，这就需要传导具有高重复性工件定位精度的特殊夹具（见图 8的例子）。在未来，预计人工智能将被用于测量刀具切削刃的磨损，确定刀具寿命，并自动确定最佳切削条件以实现更高的精度。

环保的干式和半干式切割

已经开始在全球范围内进行的去碳化，也要求在生产中采取无冷却剂的举措。立铣刀切割时产生的热量（切割热）超过1,000℃。切削热被传导到刀刃、工件切削面和切屑，但如果大部分热量被传导到切屑上，就可以减少刀具磨损。众所周知，切屑形状与切削速度有关，如图 9所示，随着切削速度的提高，切屑会出现更宽、更薄的形状，切削热容易传导。在精加工中，在立铣刀的侧面供应雾状冷却剂可以延迟磨损的进展；五轴MC可以在立铣刀较高的实际切削速度下进行切削，这对于产生切削热容易传导的切屑形状是有利的。

五轴MC切割实例和中国的情况

在生产设施中引入5轴MC的工作正在进展，通过利用其优越性的切割，新的领域正在被扩大。另一方面，围绕5轴MC的环境还远远不能令人满意，在刀具选择、切削条件的确定和NC编程方面需要采取试错的方法。

图 10介绍了齿轮的锻造模具（硬钢材料）的直接雕刻切割和恩德姆钻碑（硬钢）的直接雕刻切割实例。两者都是使用专用铰刀进行一刀切的例子，与三轴MC 相比，用高刚性的铰刀进行切割，除了切割时间外，还具有较高的切割面精度。在已经出现通过增材制造（AM：利用三维CAD数据中的切片二维数据，通过多次堆叠金属和树脂来打印3D物体）进行模具生产的情况下，减少切割时间是一个至关重要的问题。

不仅在日本，在中国，向五轴MC的转变也在迅速蔓延。图 11显示了最近在中国举办的展会上推出的五轴MC机床，所有这些机床 都配备了自己的NC 控制器、CAM和其他软件，给人的印象是它们正在迅速变得更加复杂。

如上所述，用五轴MC实现高效切削的条件是利用传统三轴控制MC在立铣刀、刀具轨迹和切削条件方面的优势。此外，通过引入机上测量并使之系统化，五轴MC已经开始实现切削精度的大幅提高。在未来，作为实现信息化的一部分，NC程序的自动化、每个刀具切削数据的构建、以及MC自身根据加工信息确定最佳切削条件等课题的处理和解决将是一项紧迫的任务。

最后，要感谢所有相关公司在撰写本报告时提供的有用的生产信息和技术数据。