毫無疑問，五軸加工技術在生產中的應用越來越廣泛。但是，我們在工廠裡看到的切削刀具卻仍然是那些簡單的平底、球頭銑刀，甚至與幾十年前沒有什麼區別，久而久之，大家都認為這是理所當然的。
五軸加工刀具的形狀只能這樣簡單？
當然不是。五軸加工中心可以進行復雜聯動，支持使用更智能靈巧的加工刀路來提升加工效率。切削刀具製造商們陸續推出一系列大圓弧新型的銑削刀具，通過更合理地使用各種便捷可靠的加工策略，可以充分挖掘出五軸機的加工潛力。
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大圓弧銑刀與超弦精加工技術
大圓弧銑刀也被稱為鼓形銑刀、拋物線銑刀，可以針對各種形狀的工件進行表面精加工，特別是在模具加工中。合理的加工刀路編程是有效使用大圓弧刀具的關鍵。在刀路規劃中需要基於刀具切削刃的幾何形狀，使刀具中特殊形狀的切削刃在切削過程中，以合適的角度與工件表面接觸。
為了滿足這一需求，刀具製造商與CAM軟件開發商合作研發了能夠實現這類刀具設計理念的編程算法，未來的CNC精加工技術已經來臨。
Mastercam的超弦精加工技術，在高表面質量工件（例如模具）的精加工過程中，基於圓弧刀具的精確輪廓，在刀路中控制刀具以適當的角度與工件輪廓形狀進行精確擬合，可以在保證表面質量的前提下大幅減少加工循環時間。
大圓弧刀具幾乎都需要配合五軸機床使用，特別是在模具加工領域，以保持它們以所需的角度切削。Mastercam的超弦精加工技術可以結合刀具形狀和五軸機床的複雜運動性能進行有機結合，大幅提高精加工的效率。
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怎麼看待這類新型銑刀？
CAM軟件扮演怎樣的角色？
CNC Software公司在大圓弧刀具的理念剛剛提出時就開始與刀具製造商進行深入技術交流，進行協同研發。CNC Software的工程師Jesse Trinque 深度參與了Mastercam針對大圓弧刀具的編程方案的研發。他是怎麼看待這類新型銑刀？以及這種新的切削理念中CAM軟件可以扮演怎樣的角色？
“在過去，CAM軟件實際上還沒有將切削刀具進行精確實體建模，”他說。“因為沒有必要。刀具的形狀太簡單了：立銑刀的形狀是個圓柱體，球刀是帶半球形底端的圓柱體，這些簡單的幾何實體形狀足以精確地表達CAM 刀路中的刀具形狀。但大圓弧刀具改變了這一點，它們的切削刃由不規則的圓弧段構成，形狀十分複雜。涉及這種刀具的編程，首先需要在CAM軟件中針對刀具的形狀進行精確定義，通過特殊算法將刀具的切削刃與工件表面的複雜曲面進行擬合，最後生成刀路。這就是Mastercam的超弦精加工技術。
對於這些在新技術研發上的投入，最好的回報就是大幅提升的精加工效率。大圓弧刀具使用特殊弧度的切削刃沿著曲面邊緣輪廓進行精銑。使用球刀進行精加工時，切削點的弧度受限於其刀身半徑。相比之下，圓桶型式（barrel-form）或橢圓型式（oval-form）之類的大圓弧刀具，可以在小半徑刀身上使用非常大弧度的切削刃進行加工。
CAM軟件對於使用圓弧段工具至關重要。保持所需的精確齧合角度需要針對每種不同的圓弧段工具類型定製的刀具路徑。
球刀的優點是在使用時不用考慮刀尖形狀與工件表面形狀的齧合角度。無論使用何種角度，刀尖接觸點的形狀始終是圓形。Jesse說，使用球刀精加工的缺點是加工循環時間長。球刀需要較小的步進增量來保證精加工表面質量，被加工表面較大時，加工時間會變的非常長。而使用大圓弧刀具則可以更大的步進量來達到同樣的表面質量，這樣一來就可以大幅縮短循環時間。但使用大圓弧刀具時必須保持在切削刃以合適的角度與工件接觸，以便大半徑刀刃輪廓起到作用。
通過使用比球刀大的多的刀尖圓弧，大圓弧刀具可以更高效的進行精加工。這裡的錐度型式刀具是一種極端的情況 - 它的切削刃看起來幾乎是直的。這種刀具需要以非常精確的齧合角度進行精加工。
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以怎樣的接觸角度進行精加工？
Jesse說，橢圓型式（Oval-Form）刀具在有效接觸區域內，使用的接觸角度僅限於15度以內。錐度型式（Taper-Form）比這更有限，它的齧合角度變化不能超過0.1度。相比之下，球刀在其運動範圍內的角度實際上是無限的。這就是為什麼球刀幾乎可以用在所有的加工中心上，但大圓弧刀具主要應用於五軸機床。
他說，圓弧型銑刀適用於銑削工件上的開放式大麴面特徵，例如使用透鏡型式（Lens-Form）刀具精銑模具中模穴的底部區域，使用錐度型式（Taper-Form）或橢圓型式（Oval-Form）刀具對模芯的側壁精加工。一般來說使用球刀進行這些區域的加工都可能耗時好幾個小時，而使用幾種大圓弧銑刀的組合策略，可以把加工時間降低到一小時以內。
相比球刀，大圓弧刀具是這樣節省循環時間的：利用更大的刀尖弧度，可以使用更大步進增量達到相同的殘脊高度。用這種方式不僅提高了生產率，而且所得到的表面光潔度也更好。
他說，超弦精加工不僅僅可以用在模具加工上。具有大麴面特徵的航空航天零件和醫療植入器械也非常適用超弦精加工。特別是航空航天和醫療器械零件的加工很多已經在使用五軸機床進行加工“我們最近協助一家公司加工鈦合金膝蓋部件，”他說。“這個零件使用五軸機床加工，原來的精加工循環時間是70分鐘。我們使用大圓弧刀具結合Mastercam的超弦精加工技術，將精加工循環時間縮短到10分鐘，其表面質量甚至比之前更好。”
球刀仍然很重要。有時，複雜工件中會有一些細小間隙特徵、只有球刀才能以合適的角度伸入間隙進行精加工。確實，Jesse先生說這是用戶接受新型刀具和新的精加工理念時需要認識到的現實。
“那些聽說過超弦精加工和大圓弧刀具的公司往往希望將它們應用到所有加工中，但這樣的加工方式有它的侷限性：它們不適用於粗加工，而且每種形狀的刀具都有自己的優點和侷限性。瞭解這些不同形狀的刀具和它們適用的工件特徵可以幫助CNC工程師拓展編程思路，以更靈活的方式處理工件上的不同特徵，提高整體精加工的效率“在過去，在編程時可能只用一把球刀去慢慢地精加工一個複雜型腔，”他說。“理解了超弦精加工技術，在編程時可以根據型腔中不同區域的特點，選用不同形狀的刀具和不同的刀路，以更高效的效率，更低的成本完成精加工。”
Jesse說，這就是未來CNC工程師需要的思考方式。在他看來，使用切削刃形狀更復雜的刀具是精加工的未來。刀具的進化，可以將CAM軟件所能實現的複雜刀路與五軸加工中心所能實現的複雜機床運動相結合，是精加工效率提升的下一個決定性因素。他說，事實上，許多刀具製造商也在推出實用高效的，不同形狀的刀具。Mastercam不再將刀具定義為簡單的形狀，而是作為高效精加工中不可或缺的重要組成部分。
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