1、1,五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù) 機(jī)械學(xué)院教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心 徐學(xué)武 2009.03,2,1 .實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,學(xué)生在數(shù)控技術(shù)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)CAD/CAM軟件（UG等）的使用方法和編程技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)有機(jī)床的加工尺寸，自行設(shè)計(jì)零件（如圓柱凸輪、葉片等）并編程，先在數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)上驗(yàn)證無誤后，進(jìn)而再在五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床上加工成實(shí)物。通過本實(shí)驗(yàn)，可使學(xué)生系統(tǒng)掌握復(fù)雜零件數(shù)字化制造的相關(guān)知識(shí)，提高工程實(shí)踐能力。,3,2 .實(shí)驗(yàn)難點(diǎn),本實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)是刀具選擇、刀具路徑仿真（防止干涉）及程序后處理。 擬先用工程塑料及尼龍等材料進(jìn)行初步加工驗(yàn)證，最后用有色金屬（鋁合金）加工實(shí)體。,4,3.實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn),五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、

2、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型柴油機(jī)曲軸等加工的唯一手段。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)對(duì)一個(gè)國(guó)家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力。本實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生學(xué)習(xí)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的原理及加工方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生數(shù)控加工技術(shù)的實(shí)踐空間。,5,4.方案一,以家用縫紉機(jī)機(jī)頭中一圓柱凸輪為例，學(xué)生可重新觀看縫紉機(jī)的結(jié)構(gòu)（在機(jī)械零件陳列室），理解圓柱凸輪的作用，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)繪，分析其特點(diǎn)，再提出加工問題，學(xué)生要認(rèn)識(shí)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床,學(xué)習(xí)有關(guān)多軸聯(lián)動(dòng)的有關(guān)知識(shí), 根據(jù)機(jī)床有關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)一圓柱凸輪及工裝，在計(jì)算機(jī)上仿真加工，后處理生成數(shù)控機(jī)床代碼，在數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)

3、上進(jìn)行驗(yàn)證，將驗(yàn)證后的程序傳入五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工出實(shí)物，分析檢驗(yàn)并寫出實(shí)驗(yàn)總結(jié),6,5.方案二,以壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、推進(jìn)器等的核心部件葉輪為例，學(xué)生可參觀有關(guān)實(shí)驗(yàn)室，分析研究發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的形狀及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)繪一葉片，依此為參照，用CAD軟件重新設(shè)計(jì)一葉片，啟發(fā)學(xué)生考慮加工方法及工裝，此后引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床并學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，學(xué)生可進(jìn)一步學(xué)習(xí)CAM軟件，選擇刀具路徑，仿真加工，后處理生成G代碼，傳入五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，加工出成品，并進(jìn)行分析檢驗(yàn)，寫出試驗(yàn)總結(jié)。,7,6.方案三,錐型螺紋密封性好,連接力量大.油田鉆桿,液化汽瓶連接,8,7.方案四,圍棋盒-口小,9,8.五軸加工的特點(diǎn),(1)

4、提高加工質(zhì)量:端銑刀五坐標(biāo)數(shù)控加工的斷面殘留高度小于球頭刀三坐標(biāo)數(shù)控加工的斷面殘留高度,10,8.五軸加工的特點(diǎn),(2)提高加工效率:在相同的表面質(zhì)量要求下，即相同的h值下，五坐標(biāo)數(shù)控加工比三坐標(biāo)數(shù)控加工可以采用大很多的行距s，因而有更高的加工效率,11,8.五軸加工的特點(diǎn),(3)擴(kuò)大工藝范圍: 在航空制造部門中有些航空零件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的整體葉輪，由于葉片本身扭曲和各曲面間相互位置限制，加工時(shí)不得不轉(zhuǎn)動(dòng)刀具軸線，否則很難甚至無法加工，另外在模具加工中有時(shí)只能用五坐標(biāo)數(shù)控才能避免刀身與工件的干涉,12,8.五軸加工的特點(diǎn),(4)有利于制造系統(tǒng)的集成化 出于發(fā)展的考慮，現(xiàn)代機(jī)械加工部向著加工中

5、心、FMS方向發(fā)展，加工中心能在同一工位上完成多面加工，保證位置精度且提高加工效率國(guó)外數(shù)控鏜銑床和加工中心為了適應(yīng)多面體和曲面零件的加工，均采用多軸加工技術(shù)，其中包含有五軸聯(lián)動(dòng)功能，因此在加工中心上擴(kuò)展五軸聯(lián)動(dòng)功能可大大提高加工中心的加工能力，便于系統(tǒng)的進(jìn)一步集成化,13,8.五軸加工的應(yīng)用范圍,14,9. “東芝事件”的影響及啟示,上世紀(jì)80年代眾所周知的“東芝事件”，從一個(gè)側(cè)面反映了數(shù)控技術(shù)對(duì)于國(guó)家軍事工業(yè)制造水平的巨大影響：前蘇聯(lián)應(yīng)用日本東芝公司生產(chǎn)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，加工潛艇螺旋槳后，精度大大提高，潛艇噪聲大大降低，從而導(dǎo)致西方反潛設(shè)施失效，引起西方國(guó)家極大的恐慌。,15,10. 五坐

6、標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的三種方式,點(diǎn)接觸式-應(yīng)用最廣的五軸加工型式 所謂點(diǎn)接觸式加工是指加工過程中以點(diǎn)接觸成型的加工方式，如球形銑刀加工、球形砂輪磨削等這種加工方式的主要特點(diǎn)是；球形表面法矢指向全空間，加工時(shí)對(duì)曲面法矢有自適應(yīng)能力，與線、面接觸式加工相比較，其編程較簡(jiǎn)單、計(jì)算量較小，并且只要使刀具半徑小于曲面最小曲率半徑就可避免干涉因而它適合任意曲面的加工但由于是點(diǎn)接觸成型，在切削點(diǎn)處切創(chuàng)速度趨近于零，因而切削條件差，加工精度和效率低 面接觸式: 所謂面接觸式加工是指以面接觸成型的加工方式，如端面銑削(磨削)加工這種加工方式的主要特點(diǎn)是：由于切削點(diǎn)有較高的切削速度，周期進(jìn)給量大，因而它具有較高的加工效

7、率和精度但由于受成型方式和刀具形狀的影響，它主要適合于中凸曲率變化較平坦的曲面的加工 線接觸式:五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工當(dāng)前和今后研究的重點(diǎn) 所謂線接觸式加工是指加工過程中以線接觸成型的加工方式，如圓柱周銑、圓錐周銑、樟形窿削及砂帶磨削等這種加工方式的特點(diǎn)是：由于切削點(diǎn)處切削速度較高，因而可獲得較高的加工精度，同時(shí)，由于是線接觸成型，因而具有較崗的加工效率目前已發(fā)展到對(duì)任意曲面線接觸加工的研究,16,11. 五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控 機(jī)床的分類,(1)五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床: (A)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)有足夠的行程范圍，工藝性能好 (B)由于受結(jié)構(gòu)的限制，擺動(dòng)坐標(biāo)的剛性較低，成為整個(gè)機(jī)床剛性的薄弱環(huán)節(jié)而雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床，轉(zhuǎn)臺(tái)的剛

8、性大大高于擺頭的剛性，從而提高了機(jī)床總體剛性. (C)便于發(fā)展成為加工中心只需加裝獨(dú)立式刀庫及換刀機(jī)械手即可 但雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)功率較大，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系較復(fù)雜；,17,12. 五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的分類,(2)五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)雙擺頭機(jī)床 雙擺頭機(jī)床擺動(dòng)坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)功率較小，工件裝卸方便且坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 關(guān)系簡(jiǎn)單,18,13. 五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的分類,(3)五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)一擺頭一轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床 一擺頭一轉(zhuǎn)臺(tái)式機(jī)床性能則介于上述兩者之間,19,14. 五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)軸,在五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床中，常見的坐標(biāo)是：(A)帶動(dòng)工件進(jìn) 給的直角坐標(biāo)X，Y，Z (B)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)A、B、C (C)帶動(dòng)刀具進(jìn)給的直

9、角坐標(biāo)X、Y、Z；(D)帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)的 擺動(dòng)坐標(biāo)A、B、C，,20,14. 五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式 五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式有：24十24十4896(種),(1) 五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式為：,21,14. 五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式,(2)五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)雙擺頭機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式為：,22,14. 五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式,(3)五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)擺頭及轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床：,23,15. 五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)形式,常見五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)形式有36種 按其轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)和平動(dòng)坐標(biāo)的配置，可分為九種類型,24,實(shí)驗(yàn)用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床 雙轉(zhuǎn)臺(tái)固定床身式,25,16. MasterCAM軟件簡(jiǎn)介,Ma

10、sterCAM是美國(guó)CNC Software.INC公司所研制開發(fā)的工業(yè)界及高校廣泛采用的C A D / C A M 系統(tǒng)，它廣泛應(yīng)用于機(jī)械模具、汽車、造船、航空航天等制造領(lǐng)域。它提供的全三維曲線曲面、實(shí)體造型與高效簡(jiǎn)潔的數(shù)控編程及后置處理功能實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品的幾何設(shè)計(jì)到加工制造的CAD/CAM一體化，使企業(yè)可以通過提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期而取得明顯的經(jīng)濟(jì)、戰(zhàn)略及社會(huì)效益。,26,17.數(shù)控銑削編程的基本要點(diǎn),：,一設(shè)計(jì)做到： (1)要先進(jìn)行總體規(guī)劃設(shè)計(jì)，找出產(chǎn)品主要的特征、構(gòu)造方式、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、幾何關(guān)系和約束參數(shù)等； (2)要先整體、后局部，當(dāng)產(chǎn)品的主要特征和信息設(shè)計(jì)完成后，就應(yīng)該在局部的

11、地方進(jìn)行設(shè)計(jì)，編輯與修改； (3)利用參數(shù)化的思想進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以檢查產(chǎn)品設(shè)計(jì)的正確性； (4)要注意圖層、顏色與系統(tǒng)模型樹的應(yīng)用，合理地利用圖層功能、顏色設(shè)置可大幅度提高設(shè)計(jì)效率，將草圖、曲面、實(shí)體、不同的加工工序用不同的顏色表示并存儲(chǔ)在不同的圖層既可方便修改又容易找出設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。 二編程簡(jiǎn)潔 （1）工序的內(nèi)容比較單一且干涉較少的場(chǎng)合，如孔、下陷、凸臺(tái)等特征的加工時(shí)，按產(chǎn)品加工的部位編程。 （2）加工工序的內(nèi)容比較多、干涉區(qū)域多、復(fù)雜曲面及模具行業(yè)中凸、凹模等場(chǎng)合中對(duì)產(chǎn)品加工模型進(jìn)行整體造型， （3)在對(duì)空間曲面進(jìn)行加工時(shí)，曲面造型應(yīng)該依據(jù)產(chǎn)品部位的構(gòu)造特點(diǎn)進(jìn)行,27,18. M a s t e

12、 r C A M 數(shù)控銑削編程功能介紹,1.可直接讀取其他格式文件，如STL、DXF、STEPIGES、PRT及Parasolids等。 2.在提供五軸銑削、車削中心及四軸線切割加工功能的同時(shí)，可對(duì)刀具軌跡進(jìn)行實(shí)體仿真加工 3.還提供了眾多數(shù)控系統(tǒng)的后置處理，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,數(shù)控編程的基本流程,28,19.MasterCAM 數(shù)控三軸銑削編程及其應(yīng)用,(1) Paraellel平行銑削，可對(duì)空間曲面進(jìn)

13、行平行等距銑削，其軌跡平行于XY平面上的直線。 (2) Par.Steep陡斜面銑削，主要對(duì)空間曲面進(jìn)行陡斜面銑削加工。 (3) Radial放射加工，以平面上的某點(diǎn)為圓心，軌跡沿徑向以放射狀加工。 (4) Project投影加工，將已有軌跡投影到曲面上重新產(chǎn)生新的刀具軌跡，用戶可根據(jù)刀具軌跡的實(shí)際需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 (5) Flowline曲面流線，軌跡沿曲面的U/V方向的曲面流線進(jìn)行加工。 (6) Contour環(huán)繞等距，軌跡沿曲面的外形，按環(huán)繞輪廓的形式進(jìn)行XY平面內(nèi)的等距加工。 (7) Shallow淺平面加工，用于曲面變化比較平坦的場(chǎng)合。 (8) Pencil筆式清根，針對(duì)曲面之間的

14、相交區(qū)域進(jìn)行筆式清根加工。 (9) Scallop等高外形，軌跡沿曲面外形輪廓環(huán)繞，按Z軸等高的形式進(jìn)行曲面加工。 (10) Restmill殘余加工，對(duì)上道工序的殘余留量進(jìn)行曲面精加工或半精加工,29,20. MasterCAM提供的四、五軸聯(lián)動(dòng)加工功能,(1) Rotary4ax旋轉(zhuǎn)四軸功能多用于帶旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)或配備繞X 、Y 軸的旋轉(zhuǎn)臺(tái)的的四軸加工，如MACH1600有繞Z軸旋轉(zhuǎn)的工作臺(tái)，主軸可立臥轉(zhuǎn)換，可對(duì)外圓上的槽或型腔進(jìn)行加工。 (2) Curve5ax曲線五軸功能用于對(duì)空間的曲面曲線進(jìn)行五軸曲線加工 (3) Drill5ax五軸鉆孔功能用于對(duì)空間的孔進(jìn)行鉆孔加工，多用于孔的位置比較

15、特殊的場(chǎng)合，如圓錐面上的孔或產(chǎn)品上孔位的軸線方向變化的場(chǎng)合。 (4) Swarf5ax側(cè)刃五軸功能利用銑刀的側(cè)刃對(duì)空間的曲面進(jìn)行加工，避免球頭刀的切削，能大幅度提高曲面粗精加工的效率。 (5) Flow5ax五軸底刃銑削功能利用銑刀的底刃對(duì)空間曲面進(jìn)行加工，避免傳統(tǒng)球頭刀的加工，此時(shí)需要對(duì)刀軸矢量進(jìn)行合理的控制設(shè)計(jì)。 (6) Msurf5ax五面體加工功能多用于銑削工步內(nèi)容比較多的多面體加工，如立臥轉(zhuǎn)換五面體加工中心可一次加工產(chǎn)品上的五個(gè)面或內(nèi)外腔。,30,21. 四、五軸聯(lián)動(dòng)加工曲面時(shí)的關(guān)鍵技術(shù),(1) Drive Surface（加工導(dǎo)動(dòng)曲面）定義產(chǎn)品上被加工的曲面對(duì)象。 (2) Chec

16、k Surfacd（干涉曲面）用于對(duì)空間曲面加工時(shí)刀具的干涉面的定義。 (3) Boundary（軌跡限制區(qū)域）以空間的輪廓對(duì)曲面加工軌跡進(jìn)行限制，使軌跡在限制區(qū)域內(nèi)進(jìn)行加工，多用于控制刀具的軌跡范圍。 (4) Tool Axis Control（刀具軸的矢量控制）弄清四軸五軸加工時(shí)的刀具軸矢量定義，理解刀具軸的矢量變化是四軸五軸加工的基礎(chǔ)。四軸五軸加工的關(guān)鍵技術(shù)之一是刀具軸的矢量(刀具軸的軸線矢量)在空間是否發(fā)生變化，而刀具軸的矢量變化是通過擺動(dòng)工作臺(tái)或主軸的擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于矢量不發(fā)生變化的固定軸銑削場(chǎng)合，一 般用三軸銑削即可加工出產(chǎn)品。五軸加工關(guān)鍵就是通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢量與機(jī)床原始坐標(biāo)系構(gòu)成空間某個(gè)角度，利用銑刀的側(cè)刃或底刃切削加工來完成。 刀具軸的矢量變化控制一般有如圖3所示的幾種方式。,31,21. 刀具軸的矢量變化控制的幾種方式,Line，刀具軸的矢量方向平行于空間的某條直線，形成固定的角度； PatternSurface，刀具軸的矢量時(shí)刻指向曲面的法線方向； From point，刀具軸的矢量遠(yuǎn)離空間某點(diǎn)； To point，刀具軸的矢量指向空間某點(diǎn)； Swarf Dr