图1 尽管Legacy Precision Molds于2015年末实现仿形切削靠模加工，但该工厂大多数五轴工件如冲压模具组件只需进行“3＋2”机械加工

在安装后的几个月内，Legacy Precision Molds最昂贵的三轴加工中心并没有真正发挥其功能。尽管将购买配备有可倾斜、旋转工作台的垂直加工中心，而该工厂还没有意向充分利用另外两个运动轴。

不过，从目前来看并非如此。Tyler VanRee的父亲Tom VanRee是工厂的创始人和总裁，他从他的父亲那里获得提示，他倾向于对工艺和技术变化采用有序的方法。使用五轴加工中心是最重大的转变之一，这一点要求年轻的VanRee承担得更多，在担任领导角色后的几年内更是如此，而且在该公司整个历史上也是如此。因此，对于这家总部位于密歇根州Grand Rapids市的模具公司来说，花时间做正确的事情就是他们的唯一选择。这意味着在操作员和编程人员与车间其他人员一样对操作熟练之前必须以三轴的方式操作机床。只有在他们都熟悉操作之后，公司才可转向“3+2”操作，最终实现完全的仿形切削靠模加工。尽管这需要花费大约九个月的时间，但VanRee没有后悔，他表示：“这是一种非常不同的行事方式，我们并不像突然引入所有新技术然后让整个团队的思维都被冻结住。”

事实上，各种迹象都表明该公司谨慎递增方法使得各个人员能更强烈地将精力集中在各种挑战上，而并不会被这些挑战吓到。毕竟，根据Legacy的经验，采用五轴加工中心是一种学习上的尝试，这种学习不仅是学习一种新类型的设备，更是对长期持有的关于工件定位和刀具习惯看法的一种重新认识。很明显，这种过渡也促使公司更加重视只使用三轴就能完成的加工作业。VanRee说道：“因为你能使用五轴加工中心进行切割加工并不意味着你就必须使用这种技术。”

图2 Seth VanRee是DMU 50的首席操作员之一，他表示，在工厂启动工作台后，花时间学习机床的复杂细节能大幅简化学习曲线

“学习走路”

VanRee和他的团队在购买他们自己的机床之前已经关注五轴加工功能数年。毕竟，这种技术用于注塑模具组件，如斜顶和滑片的单设置生产是非常理想的，更不用说各种涉及仿形切削靠模加工几何形状和难以接触到的部位的其他工件的加工。五轴加工中心不仅可以降低零件装载和卸载的单调程度，还可以避免堆叠错误。这家公司占地面积有6000 ft2(1 ft2=0.093 m2)，拥有14名员工，它需要的就是正确的机会。2015年晚些时候，这家公司抓住机会，非常快地购买了五轴式DMU 50，在这之前，这台机床都计划被移出当地的DMG MORI办事处的展厅。

Seth VanRee是Tyler的弟弟，是这台机床的首席操作员之一，他表示，尽管在这一新功能上扩大产能的力度较慢，但花费时间先学习这台机床的操作还是值得的，这一做法的一个原因很大程度在于公司的文化。他解释到，在使用三轴加工功能数月后，对工作台的旋转和倾斜功能并不确定，这使得公司人员更期盼机床所能实现的功能。他补充到，DMG MORI的Ergoline控制面板具有图形用户界面，此界面经过设计使工艺和机床数据容易访问，这令工厂操作更直观，从而也增加了员工的信心。

但是，即便界面直观，也仍然需要熟悉基本的G模式和M模式功能。毕竟，该机床的iTNC 530是Legacy公司有史以来第一台基于Heidenhain的数控加工中心。John Camfferman是一名数控加工中心编程师，他表示，通过大约两个月的三轴操作就能足够熟悉机床的“语言”，从而有利于过渡至“3+2”加工，在“3+2”加工模式下，B/C轴工作台被锁定在设置的位置，用于三轴动作。在这一阶段，越来越多与开发用于对该机床进行编程的WorkNC CAM系统的公司进行合作。尽管供应商承担了开发该机床的后处理器(通常需要咨询DMG MORI)的辅助工作，但要有效使用五轴设备，终端用户必须提供必要的协助。Camfferman解释到：“Vero公司知道如何操作他们的软件，但他们需要我们准确传达我们想从新机床上看到的界面内容。”

的确，该工厂的三轴机床也需要一定程度的后处理器协作。但是，多出两个轴后，就有许多新的加工选择，这样与软件开发商的合作就变得更加重要和更加复杂，而在之前该工厂使用的各种机床和此开发商合作从未如此重要和复杂。Camfferman说道：“花费时间学习，如哪个M模式能开启冷却剂或机床是如何准确启动钻孔作业的，这被证明是非常有用的，而且可用于将这些基本功能集成到更大的程序中。”

在执行刀具测量例程之前确保冷却剂关闭还不够，还必须在测量发生前确保工作台恢复至“安全”位置，即可避免任何干扰的位置。另一方面，如果计算机辅助制造输出规定必须在能围绕A轴和B轴无干扰旋转的零件多个面上的钻孔作业之间返回至安全区域，则这对于其他操作来说就是无用的动作。“如果不能深刻理解机床所能执行的功能以及我们想让机床执行的功能，我们就永远无法准确传达我们在未来想看到的成果。”Camfferman说道。

图3 对于每个任务，都采用了WorkNC的模拟功能。如此处所演示，机床经过合理设计，可加工安装在工作台中心零件的五个面，但是由于过于接近边缘，某些功能可能无法使用

图4 在可用的工作行程上安装虚拟的“夹具”，编程人员可在投入相当的时间和精力之前判断零件是否适合在DMU 50上进行完整加工

“学习跑步”

关于“3+2”机械加工的专业知识还在不断增长，因此工厂人员就必须学习各种新的课程，如机床在理想情况下能加工多少工件。团队也必须重新考虑刀具的优先因素，尤其是在完全的五轴加工真正开始时。以下简介在这两个领域将要学习的课程：

可用的工作行程并不总是显而易见。对于该工厂的三轴机床，操作员们已经习惯将零件固定在工作行程内的任何位置，但是此方法并不能照搬至新的五轴机床上。“而零件在该机床上适合，并不意味着你就能加工任何你想加工的零件。在检查机床规格时，这些信息并不是一看即明，因为DMU 50的X、Y和Z轴行程的中心点并不是与工作台的中心对齐的。”Seth VanRee说道。

当然以这种原因设计机床也是有原因的。部分程度上是为了在该工厂同行之间受欢迎而做出选择，Legacy的DMU 50其B轴工作台能在一个方向倾斜+110°，在另一个方向上倾斜-5°。正确调节B轴的角度以及C轴360°旋转可确保完全加工到安装在工作台中心零件的五个面，同时尽可能降低占地面积要求。但是，如果不到达行程极限是不可能加工到太靠近工作台边缘的位置的。

自学习此课程后，Legacy就想出一种方法，简化和加速判断零件在工作行程内是否适合的过程。此方法大部分由Tyler VanRee开发，涉及到将实际工作行程的边界当作WorkNC中的物理屏障。将圆顶装的虚拟物体置于虚拟机床工作台上，而虚拟物体的尺寸在五轴实验过程中会持续更新。Tyler VanRee说道：“如果你转动工作台而它没有保留在圆顶内，那我们立刻就知道了如果不花时间对其进行编程或模拟则其就不会工作。”

冷缩配合夹具胜过弹簧夹头。更具体地说，该工厂发现冷缩配合夹具在长行程应用中确保比机械动作的类似工具能提供对零件形状更好的加工。这些尺寸过小的夹具经过加热，内径可足够增大，从而可容纳刀具，之后夹具被冷却，内径就围绕着刀柄被缩小。尽管该工厂之前已经对弹簧夹头进行过标准化，但DMU 50的工作台只能在不在工件与围绕刀柄旋转的项圈之间发生碰撞危险的情况下倾斜。冷缩配合夹具相对来讲体积更小，且这些夹具可提供各种不同的剖面形状和延长版本，与弹簧夹头相比，能提供更多的选择，用于按照某一特定任务的要求配置刀具。考虑到这些优势，该工厂目前采用了Haimer公司的Power Clamp机器以及冷缩配合夹具，用于DMU 50的ATC-30位中的所有刀具。

冷缩配合夹具的另一优势是精度。该工厂的弹簧夹头刀具经常会出现指示器总偏差(TIR)，该偏差最多为0.000 5 in，但安装在冷缩配合夹具中的刀具的一般TIR约为0.003 in，夹具孔径能提供沿刀柄整个圆周横向上均匀的夹持力，而更大的同心度是这种孔径的函数。

刀具尺寸是关键。采用冷缩配合夹具并不是唯一一个导致在Legacy首批五轴加工中心试点应用后，产生更明显的精度变化。当该工厂完全采用同时动作的加工中心时，首批零件在编程人员和操作人员认为在三轴VMC上可完美加工出平滑表面的区域中却出现了混合线。在DMG MORI的帮助下，通过进一步调查发现问题不在于机床，而在于刀具上。

考虑到完全仿形切削靠模加工会涉及到使用刀具不同部分以不同角度加工工件，因此这些应用就要求使用对称刀具。这里的关键词是“对称”，并不仅仅是球头铣刀会有这样的要求。正如结果那样，能完美用于三轴加工作业的刀具在几何上并不具有足够的一致性来在DMU 50上发挥优异性能。在市场上搜查后，团队选择对Innova Tool的VHM生产线进行标准化。“许多供应商会规定真正严格的半径公差和更宽松的直径公差，但我们的这两个参数都需要非常高的精度，确保在仿形切削靠模加工要求使用刀具侧面进行机械加工时，这两者都能达到非常高的质量，我们期望这两个参数都在±0.000 5 in或更小值以内为宜。”Tyler VanRee说道。

“学习何时跑步”

VanRee兄弟和Camfferman先生强调，Legacy Precision Molds的五轴加工中心学习过程远未结束。但是最近，所学习的课程涉及何时使用新机床的内容与涉及如何使用该机床的内容是一样多的。“考虑到模具会非常复杂，作为模具厂家我们有让所有产品变得非常精密的倾向，但这一点并不总是必须这样做。”Tyler VanRee解释到，“我们已经学着扪心自问，如果我们以一种迫使我们使用五轴加工中心切割组件的方式设计该组件，那么这是否真正能为我们的任务增加价值呢?答案经常是否。”

图5 如左侧两个冷缩配合夹具要比(右侧)弹簧夹头细，有多种形式，这两种特质使得它们在确保在五轴加工作业过程中完全接触到零件方面特别有效

Legacy发现最适合五轴加工中心加工的工件一般都具有一些共同的特征，包括侧面细部和需要进行表面抛光处理的轮廓几何形状，总之五轴加工中心应允许杜绝下游加工作业如电火花成型加工作业。在基础的层面上，按照这一标准，只要零件在机床的可用工作行程内部适合，就几乎可以将其排除掉，但对于大多数任务还是需要更仔细地考虑。例如，对于只使用三轴加工中心无法加工型腔中的小角，DMU 50可能是一种可以替代电火花成型加工机的方案。但是，如果完成零件剩余部分的加工仍然要求进行大量的熔炼加工，则将五轴加工中心仅用于一种或几种加工作业可能就不值得了。

同样地，绝大部分在DMU 50上被加工的工件并不需要该机床发挥完全的功能。对于大多数任务，“3+2”加工已经远远足够，这种技术对于刚开始使用该工艺的工厂来说可以相当缓解其压力。“我们适应此机床后，使用“3+2”轴加工与只使用三轴加工并没有任何不同，而且这种模式的加工技术能让所有工作都快得多，根据我们的经验，没有理由担心这种飞跃，只要我们循序渐进地实施这一过程。”Tyler VanRee表示。