五轴联动加工技术 机械学院教学实验中心 徐学武 2009.03.

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1 五轴联动加工技术 机械学院教学实验中心 徐学武

2 1 .实验内容 学生在《数控技术》课程学习的基础上，学习CAD/CAM软件（UG等）的使用方法和编程技术，根据现有机床的加工尺寸，自行设计零件（如圆柱凸轮、叶片等）并编程，先在数控实验台上验证无误后，进而再在五轴联动机床上加工成实物。通过本实验，可使学生系统掌握复杂零件数字化制造的相关知识，提高工程实践能力。

3 2 .实验难点 本实验难点是刀具选择、刀具路径仿真（防止干涉）及程序后处理。
拟先用工程塑料及尼龙等材料进行初步加工验证，最后用有色金属（铝合金）加工实体。

4 3.实验创新点 五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段。五轴联动数控机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等行业，有着举足轻重的影响力。本实验可使学生学习五轴联动数控机床的原理及加工方法，提高学生学习兴趣，拓展学生数控加工技术的实践空间。

5 4.方案一 以家用缝纫机机头中一圆柱凸轮为例，学生可重新观看缝纫机的结构（在机械零件陈列室），理解圆柱凸轮的作用，并对其进行测绘，分析其特点，再提出加工问题，学生要认识五轴联动数控机床,学习有关多轴联动的有关知识, 根据机床有关参数，设计一圆柱凸轮及工装，在计算机上仿真加工，后处理生成数控机床代码，在数控实验台上进行验证，将验证后的程序传入五轴联动机床加工出实物，分析检验并写出实验总结

6 5.方案二 以压缩机、膨胀机、推进器等的核心部件叶轮为例，学生可参观有关实验室，分析研究发动机叶片的形状及结构特点，现场实际测绘一叶片，依此为参照，用CAD软件重新设计一叶片，启发学生考虑加工方法及工装，此后引导学生认识五轴联动数控机床并学习相关知识，学生可进一步学习CAM软件，选择刀具路径，仿真加工，后处理生成G代码，传入五轴联动数控机床，加工出成品，并进行分析检验，写出试验总结。

7 6.方案三 锥型螺纹—密封性好,连接力量大.油田钻杆,液化汽瓶连接

8 7.方案四 围棋盒---口小

9 8.五轴加工的特点 (1)提高加工质量:端铣刀五坐标数控加工的断面残留高度小于球头刀三坐标数控加工的断面残留高度．

10 8.五轴加工的特点 (2)提高加工效率:在相同的表面质量要求下，即相同的h值下，五坐标数控加工比三坐标数控加工可以采用大很多的行距s，因而有更高的加工效率．

11 8.五轴加工的特点 (3)扩大工艺范围: 在航空制造部门中有些航空零件，如航空发动机上的整体叶轮，由于叶片本身扭曲和各曲面间相互位置限制，加工时不得不转动刀具轴线，否则很难甚至无法加工，另外在模具加工中有时只能用五坐标数控才能避免刀身与工件的干涉．

12 8.五轴加工的特点 (4)有利于制造系统的集成化 出于发展的考虑，现代机械加工部向着加工中心、FMS方向发展，加工中心能在同一工位上完成多面加工，保证位置精度且提高加工效率．国外数控镗铣床和加工中心为了适应多面体和曲面零件的加工，均采用多轴加工技术，其中包含有五轴联动功能，因此在加工中心上扩展五轴联动功能可大大提高加工中心的加工能力，便于系统的进一步集成化．

13 8.五轴加工的应用范围

14 9. “东芝事件”的影响及启示 上世纪80年代众所周知的“东芝事件”，从一个侧面反映了数控技术对于国家军事工业制造水平的巨大影响：前苏联应用日本东芝公司生产的五轴联动数控机床，加工潜艇螺旋桨后，精度大大提高，潜艇噪声大大降低，从而导致西方反潜设施失效，引起西方国家极大的恐慌。

15 10. 五坐标联动数控加工的三种方式 点接触式----应用最广的五轴加工型式
所谓点接触式加工是指加工过程中以点接触成型的加工方式，如球形铣刀加工、球形砂轮磨削等．这种加工方式的主要特点是；球形表面法矢指向全空间，加工时对曲面法矢有自适应能力，与线、面接触式加工相比较，其编程较简单、计算量较小，并且只要使刀具半径小于曲面最小曲率半径就可避免干涉．因而它适合任意曲面的加工．但由于是点接触成型，在切削点处切创速度趋近于零，因而切削条件差，加工精度和效率低． 面接触式: 所谓面接触式加工是指以面接触成型的加工方式，如端面铣削(磨削)加工．这种加工方式的主要特点是：由于切削点有较高的切削速度，周期进给量大，因而它具有较高的加工效率和精度．但由于受成型方式和刀具形状的影响，它主要适合于中凸曲率变化较平坦的曲面的加工． 线接触式:五坐标联动数控加工当前和今后研究的重点 所谓线接触式加工是指加工过程中以线接触成型的加工方式，如圆柱周铣、圆锥周铣、樟形窿削及砂带磨削等．这种加工方式的特点是：由于切削点处切削速度较高，因而可获得较高的加工精度，同时，由于是线接触成型，因而具有较岗的加工效率．目前已发展到对任意曲面线接触加工的研究．

16 11. 五坐标联动数控 机床的分类 (1)五坐标联动双转台机床: (A)旋转坐标有足够的行程范围，工艺性能好．
(B)由于受结构的限制，摆动坐标的刚性较低，成为整个机床刚性的薄弱环节．而双转台机床，转台的刚性大大高于摆头的刚性，从而提高了机床总体刚性. (C)便于发展成为加工中心．只需加装独立式刀库及换刀机械手即可 但双转台机床转台坐标驱动功率较大，坐标转换关系较复杂；

17 双摆头机床摆动坐标驱动功率较小，工件装卸方便且坐标转换
12. 五坐标联动数控机床的分类 (2)五坐标联动双摆头机床 双摆头机床摆动坐标驱动功率较小，工件装卸方便且坐标转换 关系简单．．

18 13. 五坐标联动数控机床的分类 (3)五坐标联动一摆头一转台机床 一摆头一转台式机床性能则介于上述两者之间

19 14. 五坐标联动数控机床的坐标轴 在五坐标联动数控机床中，常见的坐标是：(A)带动工件进
给的直角坐标X，Y，Z (B)带动工件旋转的回转坐标A、B、C (C)带动刀具进给的直角坐标X’、Y’、Z’；(D)带动刀具旋转的 摆动坐标A’、B’、C’，

20 14. 五坐标联动数控机床的结构形式 五坐标联动数控机床的结构形式有：24十24十48＝96(种)
(1) 五坐标联动双转台机床的结构形式为：

21 14. 五坐标联动数控机床的结构形式 (2)五坐标联动双摆头机床的结构形式为：

22 14. 五坐标联动数控机床的结构形式 (3)五坐标联动摆头及转台机床：

23 15. 五坐标联动数控铣床的结构形式 常见五坐标联动数控铣床的结构形式有36种 按其转动坐标和平动坐标的配置，可分为九种类型

24 实验用五轴联动数控机床 双转台固定床身式 X B A 2 6

25 16. MasterCAM软件简介 MasterCAM是美国CNC Software.INC公司所研制开发的工业界及高校广泛采用的C A D / C A M 系统，它广泛应用于机械模具、汽车、造船、航空航天等制造领域。它提供的全三维曲线曲面、实体造型与高效简洁的数控编程及后置处理功能实现了从产品的几何设计到加工制造的CAD/CAM一体化，使企业可以通过提高产品的设计质量、缩短生产周期而取得明显的经济、战略及社会效益。

26 17.数控铣削编程的基本要点 ： 一设计做到： (1)要先进行总体规划设计，找出产品主要的特征、构造方式、设计基准、几何关系和约束参数等；
(2)要先整体、后局部，当产品的主要特征和信息设计完成后，就应该在局部的地方进行设计，编辑与修改； (3)利用参数化的思想进行驱动以检查产品设计的正确性； (4)要注意图层、颜色与系统模型树的应用，合理地利用图层功能、颜色设置可大幅度提高设计效率，将草图、曲面、实体、不同的加工工序用不同的颜色表示并存储在不同的图层既可方便修改又容易找出设计中的错误。 二编程简洁 （1）工序的内容比较单一且干涉较少的场合，如孔、下陷、凸台等特征的加工时，按产品加工的部位编程。 （2）加工工序的内容比较多、干涉区域多、复杂曲面及模具行业中凸、凹模等场合中对产品加工模型进行整体造型， （3)在对空间曲面进行加工时，曲面造型应该依据产品部位的构造特点进行

27 18. M a s t e r C A M 数控铣削编程功能介绍 1.可直接读取其他格式文件，如STL、DXF、STEPIGES、PRT及Parasolids等。 2.在提供五轴铣削、车削中心及四轴线切割加工功能的同时，可对刀具轨迹进行实体仿真加工 3.还提供了众多数控系统的后置处理，如F a n u c 、M i l a c r o n、H e i d e n h a i n、DeckelMaho、Okuma、Mitsubishi、Mazak、Agie、Charmilles及Sodick等 数控编程的基本流程

28 19.MasterCAM 数控三轴铣削编程及其应用
(1) Paraellel平行铣削，可对空间曲面进行平行等距铣削，其轨迹平行于XY平面上的直线。 (2) Par.Steep陡斜面铣削，主要对空间曲面进行陡斜面铣削加工。 (3) Radial放射加工，以平面上的某点为圆心，轨迹沿径向以放射状加工。 (4) Project投影加工，将已有轨迹投影到曲面上重新产生新的刀具轨迹，用户可根据刀具轨迹的实际需要进行优化设计。 (5) Flowline曲面流线，轨迹沿曲面的U/V方向的曲面流线进行加工。 (6) Contour环绕等距，轨迹沿曲面的外形，按环绕轮廓的形式进行XY平面内的等距加工。 (7) Shallow浅平面加工，用于曲面变化比较平坦的场合。 (8) Pencil笔式清根，针对曲面之间的相交区域进行笔式清根加工。 (9) Scallop等高外形，轨迹沿曲面外形轮廓环绕，按Z轴等高的形式进行曲面加工。 (10) Restmill残余加工，对上道工序的残余留量进行曲面精加工或半精加工

29 20. MasterCAM提供的四、五轴联动加工功能
(1) Rotary4ax旋转四轴功能多用于带旋转工作台或配备绕X 、Y 轴的旋转台的的四轴加工，如MACH1600有绕Z轴旋转的工作台，主轴可立卧转换，可对外圆上的槽或型腔进行加工。 (2) Curve5ax曲线五轴功能用于对空间的曲面曲线进行五轴曲线加工 (3) Drill5ax五轴钻孔功能用于对空间的孔进行钻孔加工，多用于孔的位置比较特殊的场合，如圆锥面上的孔或产品上孔位的轴线方向变化的场合。 (4) Swarf5ax侧刃五轴功能利用铣刀的侧刃对空间的曲面进行加工，避免球头刀的切削，能大幅度提高曲面粗精加工的效率。 (5) Flow5ax五轴底刃铣削功能利用铣刀的底刃对空间曲面进行加工，避免传统球头刀的加工，此时需要对刀轴矢量进行合理的控制设计。 (6) Msurf5ax五面体加工功能多用于铣削工步内容比较多的多面体加工，如立卧转换五面体加工中心可一次加工产品上的五个面或内外腔。

30 21. 四、五轴联动加工曲面时的关键技术 (1) Drive Surface（加工导动曲面）定义产品上被加工的曲面对象。
(2) Check Surfacd（干涉曲面）用于对空间曲面加工时刀具的干涉面的定义。 (3) Boundary（轨迹限制区域）以空间的轮廓对曲面加工轨迹进行限制，使轨迹在限制区域内进行加工，多用于控制刀具的轨迹范围。 (4) Tool Axis Control（刀具轴的矢量控制）弄清四轴五轴加工时的刀具轴矢量定义，理解刀具轴的矢量变化是四轴五轴加工的基础。四轴五轴加工的关键技术之一是刀具轴的矢量(刀具轴的轴线矢量)在空间是否发生变化，而刀具轴的矢量变化是通过摆动工作台或主轴的摆动来实现的。对于矢量不发生变化的固定轴铣削场合，一 般用三轴铣削即可加工出产品。五轴加工关键就是通过控制刀具轴矢量在空间位置的不断变化或使刀具轴的矢量与机床原始坐标系构成空间某个角度，利用铣刀的侧刃或底刃切削加工来完成。 刀具轴的矢量变化控制一般有如图3所示的几种方式。

31 21. 刀具轴的矢量变化控制的几种方式 ☆Line，刀具轴的矢量方向平行于空间的某条直线，形成固定的角度；
☆PatternSurface，刀具轴的矢量时刻指向曲面的法线方向； ☆From point，刀具轴的矢量远离空间某点； ☆To point，刀具轴的矢量指向空间某点； ☆Swarf Driver，刀具轴的矢量沿着空间曲面(曲面具有直纹性)的直纹方向发生变化。

32 23. 参考资料 1.全荣.五坐标联动数控技术 [M].长沙：湖南科学技术出版社，1995 2.苟琪. MasterCAM五轴加工方法 [M].北京：机械工业出版社， 2005 3.马武，李映平，杨锦斌.浅析五轴加工中心数控编程技巧[J].制造技术与机床.2009,(2): 4.吴俊涛.水轮机叶片制造工艺技术[J]. 重工与起重技术.2006,11(3):1-3 5.孟献军.五轴数控加工刀位算法研究.制造技术与机床.2009,(1)26-29