1、学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机床的综合数控加工单元一多轴数控机床及零件加工信息采集单元一多轴数控机床及零件加工信息采集单元二零件多轴加工的工艺解决方案单元二零件多轴加工的工艺解决方案单元三四轴加工的编程及刀路设计单元三四轴加工的编程及刀路设计单元四五轴加工的编程单元四五轴加工的编程单元五单元五 多轴数控机床的操作与使用多轴数控机床的操作与使用 学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加
2、工 从车间现场的调查、教师的讲解、演示中获取多轴加工所需的各类信息；以小组为单位，识读产品加工的零件图纸并接受产品加工任务；在教师指导下按图纸要求进行产品加工分析，了解零件多轴加工的基本工艺方案；在教师指导下编制工艺规程文件、刀具单和装夹方案；通过教师讲解获取四轴加工手工编程计算知识，确定手工或自动编程的任务；学习训练简单零件四轴加工的手工编程和基于CAM自动编程的方法；学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工 学习四轴、五轴数控加工中心的基本操作方法；按工艺规划准备刀具与毛坯，了解对刀具的要求，安装调整刀具和毛坯；在机床上录入、校验程序，并学习基本对刀操作；小组合作操控机床实施简单四轴零件的加
3、工；按图纸要求检查加工尺寸，填写检验报告，核对各环节的工作记录；按给定的课业工作页要求整理工作学习小结，简单汇报工作成果；与其他小组进行技术交流，掌握多轴加工的技术要点。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工三、课业练习及工作小结要求(1)寻求本情境各任务单元给定的引导性问题的答案。(2)按教师给定的课业工作学习小结要求，整理编写本课业的工作学习小结。工作学习小结主要包括以下内容：多轴加工的知识基础。生产车间现有的多轴加工机床特点、可加工尺寸范围和工艺范围。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工 零件加工工艺设计。指定零件的总体工艺方案及多轴加工内容；弹性内胀夹具的结构及使用说明；四轴转台卧式
4、机床加工底座壳体零件的工艺实施方法说明。简单零件四轴加工的程序设计与释义、多轴加工自动编程的案例解析。多轴机床操作控制要点、多轴加工的基本对刀操作。多轴仿真加工的意义。学习感受及疑难问题。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工单元一单元一 多轴数控机床及零件加工信息采集多轴数控机床及零件加工信息采集一、单元学习任务(1)在车间现场收集多轴加工设备及多轴加工的产品信息；(2)通过讲授了解多轴加工的基本知识；(3)正确识读并提取载体零件的多轴加工特征信息。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工二、单元学习目标(1)能正确识别多轴加工机床并判定其坐标系统；(2)了解多轴加工的工作原理以及与三轴数控加
5、工的区别；(3)能判断零件产品中多轴加工的结构特征并初步了解其工艺实现方法。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工三、着重关注的引导性问题(1)目前常见的四轴加工中心大致有哪些结构形式?其旋转轴各使用什么控制代码?附加四轴和转台有什么不同的结构特点?(2)卧式分度转台式四轴加工中心能进行什么样的加工?五面加工需要什么机床类型?(3)多面分度加工和四轴联动加工有什么区别?四轴加工主要有哪些应用?(4)五轴加工机床主要有哪些实现形式?各有什么特点?A+C和C+A有什么不同?学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工(5)3+2轴定位加工能实现五轴联动吗?和其他五轴实现方式相比有什么特点?(6)多轴加工
6、有什么优缺点?你能列举出哪些多轴加工产品?(7)生产现场有哪些多轴加工设备?其允许的加工范围如何?(8)几个载体零件中各有哪些特征需要用多轴加工?分别需要几轴加工控制来实现?能采用3轴数控机床加工出来么?学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工四、单元学习知识基础本单元要求学习者应熟悉数控机床坐标轴的确定原则，对机床运动的各种实现方式有充分的了解，能初步识别和分析零件多轴加工的结构特征。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工(一)多轴机床及多轴联动加工1多轴机床的坐标系统多轴联动加工中的多轴是指机床能控制的运动坐标轴数在四轴及四轴以上；联动是指可以按照特定的函数关系同时控制的运动坐标轴数，从而实
7、现刀具相对于工件的位置和速度控制。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工根据数控机床坐标系统的设定原则，通常数控机床的基本控制轴X、Y、Z为直线运动，绕X、Y、Z旋转运动的控制轴则分别为A、B、C，若在基本的直角坐标轴X、Y、Z之外，还有其他轴线平行于X、Y、Z，则附加的直角坐标系指定为U、V、W或P、Q、R。一般地，由三个直线运动轴X、Y、Z和A、B、C三个旋转轴中的一个或两个联动加工构成四轴或五轴联动加工。图3.1.1为多轴数控机床及其坐标系统的示例。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.1.1 多轴数控机床及其坐标系统 学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工2四轴加工机床的类别在三
8、坐标数控铣床或加工中心机床上增加一个附加轴即可构成四轴数控加工模式，采用回转工作台作第四轴的则多为卧式数控机床。基于性价比的原因，四轴数控通常是和加工中心配套设计的。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工立式X+Y+Z+A(附加轴)：图3.1.2所示是在立式加工中心上增加了一个绕X轴回转的附加轴A，可以作周向槽形铣削，对复杂曲面类零件可减少翻转装夹的次数，避免多次装夹带来的误差，从而提高加工精度，还可以加工三轴机床无法加工的高难度零件。该类机床通常用三爪和四爪装夹工件，零件装夹方便，但装夹受回转空间的限制，因此常用于中小型零件的加工。对于长径比较大且自重较大的零件在加工过程中容易变形，需采用一
9、夹一顶的辅助支承。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.1.2 带附加A轴的立式加工中心学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工卧式X+Y+Z+B(回转台)：图3.1.3所示的卧式加工中心具有一个绕Y轴回转的分度转台B，利用转台分度，可以加工箱体类零件的四个侧面，若主轴能进行立卧转换(五轴模式)，则可以加工除安装面以外的五个面，其加工范围就非常大。该类机床零件直接装夹在工作台上，回转空间较大，由于其加工过程中重力方向与工作台支撑方向一致，因此可用于大中型零件的加工，如箱体零件的多面加工。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.1.3 四轴转台卧式加工中心学习情境三使用多轴机应床的综合数
10、控加工3五轴加工机床的类别五轴加工机床除X、Y、Z以外，其旋转轴的组合及其控制实现方式有很多种形式。(1)双摆头式(Dual Rotary Heads)：主轴头摆转控制，工作台作水平运动，有如图3.1.4所示的A+C、B+C实现方式等。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.1.4 双摆头式五轴加工机床学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工(2)双摆台式(Dual Rotary Tables)：工作台上旋转或摆动，主轴垂直升降运动或X/Y/Z龙门式十字移动，有如图3.1.5所示的C+A、A+C、B+C等方式，俗称摇篮式。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.1.5 双摆台式五轴加工机
11、床学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工(3)主轴与工作台摆动式(Rotary Head and Table)：单一转台或附加旋转轴+主轴摆转。有如图3.1.6所示的B+C、A+C实现方式等。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.1.6 摆头+摆台式五轴加工机床学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工(4)3+2轴定位加工：在三轴数控机床工作台面上添加一数控双轴分度盘附件(如图3.1.7所示)，即可进行五轴控制，卸下附件即为传统三轴数控加工机床。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.1.7 3+2附加双轴分度盘学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工(5)不同控制方式下五轴机床加工的特
12、点比较。工作台回转控制方式(摆台式)：结构简单、主轴刚性好，制造成本较低。同样行程下，加工效率比摆头式高，刀具长度对理论加工精度不会产生影响。但工作台不能设计太大，能承重较小，特别是工作台回转过大时，由于需克服的自重的原因，工件切削时会对工作台带来较大的承载力矩。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工主轴摆转控制方式(摆头式)：主轴前端为一回转头，主轴加工比较灵活，可活动范围较大，工作台也可设计得非常大，但主轴头的摆转结构比较复杂，理论加工精度会随刀具长度增加而降低。由于主轴需要摆动，不可设计得太大，因此主轴刚性较差，制造成本也较高，但对大型重型等无法实现工作台摆动的零件，只能采用摆头式控制方
13、式。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工(二)多轴加工的特点(1)对复杂型面零件仅需少量次数的装夹定位即可完成全部或大部分加工，从而节省大量的时间。(2)通过多轴空间运行，可以使用更短的刀具进行更精确的加工。(3)倾斜后可增大切削接触点处的线速度以提高加工质量，同时使切削由点接触变为线接触，获得较高的切削效率，如图3.1.8所示。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.1.8 多轴加工时切削点的变化学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工(4)利用端刃和侧刃切削，使得变斜角类加工表面质量得以提高。(5)就叶片类零件加工而言，多轴加工可使导随边边缘加工状况得到明显改善，且环绕加工有利于控制变
14、形。但多轴加工编程较复杂，大多需要借助CAM软件自动编制程序，其后置处理比三轴更复杂，且多轴加工的工艺顺序与三轴有较大的差异。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工(三)多轴加工的适应性1立式附加四轴的加工图3.1.9所示的调焦筒、柱面凸轮、引斜螺杆等为立式附加四轴加工的典型零件，这类零件在圆周面上具有一些规则或不规则的槽形、绕某回转轴线均布或不均布的台阶面与径向孔等，需采用带附加A轴的立式数控机床边旋转边加工或分度定位后再加工。这类零件回转直径不大，通常为中小型盘套类或细长轴类。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.1.9 立式附加四轴加工的典型零件学习情境三使用多轴机应床的综合数控加
15、工2卧式转台四轴加工图3.1.10所示的底座壳体零件、箱体零件、大型叶盘零件等为卧式转台四轴加工的典型零件，这类零件一般具有局部回转表面或角度分布的多个表面及孔系，且加工部位相对于回转轴线通常具有较大的回转半径，不适合在立式附加四轴机床上装夹，由于零件尺寸较大，需要使用带转台的卧式加工中心分度或作四轴局部摆转加工。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.1.10 卧式转台四轴加工的典型零件学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工3五轴加工零件图3.1.11所示的大型模具零件、多面体零件、叶轮、螺旋桨等为五轴加工典型零件，其中大型模具零件的模腔曲面使用双摆头五轴加工时，具有较好的动作控制灵活性
16、，若采用摆台式就会因主轴与摆台的干涉而限制其允许的加工范围。对于图(b)所示多面体零件而言，若为大中型件应选用较大工作台面的机床以确保可靠平稳装夹，用双摆台五轴加工较适宜，在行程范围许可时亦可采用立卧转换A+B双摆头五轴加工，采用摆头+回转台A+C五轴方式则容易受干涉问题的制约；对于叶轮、螺旋桨类零件，大中型件宜用双摆头或双摆台五轴加工方式，亦可用摆头+回转台五轴方式，小型件可使用3+2附加五轴加工方式。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.1.11 五轴加工的典型零件学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工(四)典型零件工艺性分析1调焦筒零件工艺性分析图3.1.9(a)中所示调焦筒零件整
17、体为简单的柱筒结构，可使用管状坯料或棒料车制，但其圆周上有一段直弧形局部通槽和两段螺旋通槽，则需要采用带附加A轴的立式数控机床边旋转边加工。周侧槽可直接采用与槽宽相等直径f4的铣刀，沿槽形中线走刀即可。表3.1.1是调焦筒零件加工工艺分析卡片。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工2底座壳体零件工艺性分析表3.1.2中图示为某检测仪器的底座壳体零件，用于安装需进行多个角度方位指标检测的专用仪器。该零件为铸铝毛坯，筒壁内外、筋板各处均留有较大的铣削余量，设计余量单面为5mm10mm，
18、且可能会因铸造原因使得各处余量分布并不均匀。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工现需要对内外筒壁、筋板各处做铣削加工，并按方位要求在筒壁开7个矩形窗口，在各窗口周边还需加工安装盖板用的螺纹孔，在壳体零件上下法兰处还有和其他部件连接用的螺销孔需要加工。除上下法兰面及内腔可采用立式数控机床加工外，筒壁窗口、筋板及侧壁孔系等都需要使用带转台的卧式加工中心分度并作四轴摆转加工。表3.1.2是底座壳体零件加工工艺分析卡片。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合
19、数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工3叶轮零件图3.1.12所示叶轮零件的8个叶片有明显的重叠，必须采用五轴数控机床进行加工。由于结构形状较为复杂，需要利用CAM软件先进行模型构建，然后由计算机自动编制程序。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.1.12 叶轮零件图样学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工除叶片结构外，该零件还有内孔型面、键槽特征。其内孔型面和叶轮外轮廓可通过车削加工得到，键槽特征可采用铣削、插削或者线切割加工得到。这些都是常见的特征加工，总体来说，该零件的加工难点在于叶片结构的五轴加工。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加
20、工单元二单元二 零件多轴加工的工艺解决方案零件多轴加工的工艺解决方案一、单元学习任务(1)了解四轴、五轴加工的工装夹具及常用装夹定位方案；(2)了解多轴高速加工对刀具的基本要求；(3)比较分析多轴加工与三轴数控加工工艺实现方案的异同点。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工二、单元学习目标(1)了解四轴、五轴加工的一般装夹方案及其调整措施；(2)掌握高速加工刀具用HSK刀柄接口的结构特征；(3)了解热装刀具、液压夹紧刀柄的工装原理；(4)能初步分析多轴加工工艺方案的特殊要求，正确选用工艺实现方案。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工三、着重关注的引导性问题(1)附加A轴一般如何装夹工件?其和
21、车削中心的铣削加工方式有多大区别?(2)就单叶片零件加工而言，附加A轴立式数控加工和三轴数控加工的工艺实现方法有何不同?(3)若卧式转台四轴机床的转台不能与其他控制轴实现联动，能进行什么类别的产品加工?(4)小型多面加工零件在卧式转台机床上一次装夹能完成几面加工，该如何安装?学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工(5)零件上的局部柱面用平底铣刀作四轴铣削时，其表面常有明显的行间凹凸接痕，是什么原因?为获得较好的表面质量，其刀具选用时应注意什么?(6)高速加工对刀具有何特殊要求?传统724的刀柄接口为什么不适合高速加工?HSK刀柄接口与传统刀柄接口相比有什么优势?(7)热装式刀柄和液压夹紧刀柄分
22、别是基于什么原理?(8)摆头式和摆台式五轴加工分别适合于什么样的工艺范围?五轴用的三爪和一般三爪有什么不同?学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工四、单元学习知识基础(一)多轴加工的夹具及装夹方法如图3.2.1所示，附加四轴的立式加工中心机床的工件装夹方法类似于卧式车床，工件装夹在回转轴夹头上，比如自定心的三爪卡盘或定制的工艺夹头。若采用一般T形槽盘，则需用压板螺钉夹紧固定，这种方式可用于非圆形坯件的装夹固定，此时零件的定位可通过心轴保证，或通过打表找正。当零件长度不大时直接以悬臂形式装夹，细长或扁薄零件则需要采用辅助支承以一夹一顶的装夹固定方式。由于附加四轴的回转空间不大，因此，通常用于中小
23、型零件的加工。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.2.1 立式附加四轴加工装夹方案学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工从加工运动控制形式上看，附加四轴的立式加工中心和车削中心有很多相似之处，但由于立式加工中心主轴的下刀方式相对固定，而车削中心则可有多种角度方位的刀具安装形式，因此，附加四轴的加工工艺范围没有车削中心宽，仅与车削中心径向走刀控制方式类同。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工如图3.2.2所示，卧式转台四轴加工通常用于较大型零件(如箱体类)的四轴分度加工或联动加工，此时工件对称中心放置在转台回转中心处，编程控制简单方便。多面加工时，四轴转台主要起分度盘的作用，使加工面正
24、对主轴后即可进行该面各特征的加工，加工完一面后再分度，使另一加工面正对主轴。对于小型零件，若仍以工件对称中心与转台中心重合进行装夹，则要求刀具必须有足够的悬伸长度，因而降低了刀具的刚性，使切削加工处于不理想的状态。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工因此，小型零件通常偏装在台面转角处，一次装夹可实现相邻两表面的加工，而相对的另两侧面则必须重新装夹后再加工。多面加工时，各加工面通常分别使用G54、G55、G56、G57等构建工件坐标系并分别对刀找正；而四轴回转联动加工时，工件坐标原点通常就应设在转台中心处，工件装夹定位时也应按此要求装调。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.2.2 卧式
25、转台四轴加工装夹方案学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工如图3.2.3所示，大工作台面的摆头或摆台式五轴加工中心，其工件的装夹方式基本与三轴数控相同，但由于五轴加工时刀具或工件的摆转较复杂，必须充分考虑走刀路线，所用夹压元件应紧凑安排，相比于三轴加工方式而言，其加工区附近应留出更多的空间，以防摆转时走刀干涉。3+2轴定位加工方式时大多采用如图3.2.4所示的中小三爪及四爪卡盘，可加工的零件也多为中小型，工件装夹既要考虑双轴数控分度盘的允许安装空间，同时也要考虑走刀时的摆转空间，加工前有必要按程序要求的最大摆转角度试运行，以检查干涉的可能性。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.2.3
26、通用压板螺钉或精密台钳装夹学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.2.4 五轴加工常用三爪及四爪卡盘学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工(二)多轴高速加工的刀具当多轴加工机床结合高速加工进行配备时，其所用刀具必须适合高速加工的需要。传统镗铣加工用724锥柄，与主轴端面存在间隙，在主轴高速旋转和切削力的作用下，主轴的大端孔径膨胀，造成刀具定位精度和连接刚度下降。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工1高速加工HSK刀柄接口传统刀具锥柄轴向尺寸大因而刀具较重，不利于快速换刀及机床小型化的实现。高速加工采用HSK刀柄接口，如图3.2.5所示，它是一小锥度(110)空心短锥柄，使用时端面与锥面同
27、时接触(过定位)，其接触刚性更高，表3.2.1是传统锥柄刀具与HSK高速加工刀具比较。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.2.5 高速加工的HSK刀柄接口学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工2热装式收缩刀柄如图3.2.6所示，利用刀柄(特殊钢)和刀具(硬质合金)的热膨胀系数差，对刀具进行高精度、高强力的夹持。适合在刀具更换不频繁的加工中。使用过程中刀具与刀柄能获得较高的同轴度，由于硬质合金的热膨胀率低于刀柄材质，因而拆卸毫不费力。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.2.6 热装式收缩刀柄学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工3液压夹紧刀柄
28、如图3.2.7所示，液压夹紧刀柄是在刀具容腔外侧开设有液压油容腔，通过旋调腔口螺栓加压后使油腔膨胀，改变刀具容腔的体积而夹紧刀具。液压刀柄不仅夹紧力大，而且切削加工时还可起到吸振作用，可有效改善切削受力状况。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.2.7 液压夹紧刀柄学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工(三)多轴加工的工艺应用案例1单叶片零件的四轴加工图3.2.8(a)所示为叶片零件三轴加工的实现方式，其叶面和叶背需要分两次装夹方可实现，且翻面后导随两边的薄形边缘难以加工出来，改用图3.2.8(b)所示的附加四轴回转环绕加工方式，一次装夹即可同时加工叶面和叶背，简化了工艺过程。对柱面零件
29、作周向铣槽，同样可通过四轴加工的工艺方式实现。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.2.8 单叶片零件加工的工艺实现方式学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工2弹性内胀夹压的调焦筒零件加工表3.1.1中图示调焦筒零件圆周上有3个通槽需要利用附加四轴立式数控机床进行铣削加工，当使用图3.2.9(a)所示简易夹具加工后发现，由于是穿壁槽加工且槽形较长，单纯采用轴向夹压，加工时将会因夹压变形而无法保证槽宽要求，其变形程度与轴向夹紧力大小成正比，此结构形式只适合于周向铣削浅槽的情形，对穿壁通槽铣削则不适合。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工若采用图(b)所示的弹性内胀式结构，增加一个和芯轴呈
30、锥面配合的弹性楔套，可将轴向夹压的施力方式改为径向施力方式，是防止轴向变形的最好解决办法。为便于零件的取出，可按图(c)所示，在弹性楔套和芯轴间加设一环形弹簧，以在松开锁紧螺母后起到辅助推出的效果。另外，只要该夹紧方案的螺母选用小于零件内径，则只需要稍微松开锁紧螺母即可取出零件，大大减少了零件装夹所需的时间。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.2.9 调焦筒零件附加四轴加工的夹压方案学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工 3螺旋桨及叶轮零件的多轴加工当螺旋桨零件桨叶数较少、螺旋升角不大时，其叶间无重叠，此时可采用图3.2.10(a)所示的三轴数控加工工艺实现方式，但叶面和叶背必须分两次
31、装夹翻面加工，而使用图(b)所示五轴加工则可一次装夹完成，桨叶零件的整体尺寸精度可得到较好的保证。对于如图3.2.11所示的叶轮，当叶间有重叠时，必须借助五轴加工的工艺，通过摆头或摆台从叶间斜向走刀方可实现整个叶片的加工。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.2.10 螺旋桨零件加工的工艺实现学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.2.11 叶轮零件的五轴加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工4使用平底铣刀的多轴高效切削曲面零件采用三轴数控加工时，只能使用球刀进行曲面的精修加工，其加工效率较低，若采用多轴加工工艺，很多曲率变化不大的曲面均可采用平底铣刀以垂直于曲面法向的方式实现高
32、效切削，如图3.2.12所示。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.2.12 使用平底铣刀的多轴高效切削学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工但在使用平刀对局部柱面作多轴加工时，常常在零件表面上产生明显的行间凹凸接痕，这主要是由于所采用平底铣刀的底刃与刀具轴心线不垂直所致。如图3.2.13所示，在卧式转台四轴机床上采用平底铣刀底刃沿圆周方向铣切柱面时，只有底刃上的一条直径线起决定作用。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工很多平底铣刀刃磨后其实并不是平底，大多呈凹球状，因此切削得到的柱面呈弧面凸起，其柱面母线并不是一段直线而是一小段弧线，当刀具以固定的行距往返切削时，被切削得到的表面母线
33、因弧线交错而产生明显的行间凹凸接痕。由此可知，要想得到直线段的柱面母线，平底铣刀的底刃必须是直线且应和刀具轴线垂直，这就是多轴精加工曲率变化不大的曲面时对平底铣刀的基本要求，否则就需要牺牲效率尽量减小行距以使接痕最小。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.2.13 底刃不平直而形成柱面铣削残痕学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工5底座壳体零件的多轴综合加工方案根据前一单元对底座壳体零件的加工工艺性分析可知，该零件采用铸造坯件，由于尺寸规格较大，上下法兰的外圆直径为自由精度，不需要车削加工保证，内孔由两端圆弧组成，且有孔系加工，因此，可选择立式数控铣床或加工中心加工。由于内腔表面总深在4
34、00mm以上，必须采用加长柄圆棒铣刀双面对接加工；侧壁窗口、窗口槽窝及相关孔系等为局部回转特征，需要在具四轴数控转台的卧式加工中心上加工。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.2.14所示是四轴加工时的装夹方案，可按机床旋转工作台面中心孔的大小在底盘托板上配车直径D的台肩，以保证底盘托板轴心线与转台中心重合；托板上部依照座体零件底部已加工的孔径配车出f474与f450的台肩，并按大窗内壁结构铣出110的缺口槽，以实现零件在底盘托板上的定位，同时铣出一段弦线面以方便对刀找正。加工前应先打表找正使缺口槽内弦线与X轴平行，然后通过T形槽螺栓将托板锁紧固定在旋转工作台上，同时，还可利用弦线面到回
35、转中心的固定距离实现各刀具Z向刀长补偿的测定以及G54的Z值设定。工件通过4个螺栓拉杆和梁式压板夹紧在底盘托板上。此工艺装夹的准备，理论上可在坯件装夹固定后使大窗中心处于旋转B轴的0度方位，省去工件对刀找正的麻烦，同时可利于所有加工面的铣切走刀。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.2.14 四轴加工时的装夹学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工底座壳体零件综合加工工艺安排可参考表3.2.2。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工 单元三单元三 四轴加工的编程及刀路设计四轴加
36、工的编程及刀路设计一、单元学习任务(1)学习四轴加工程序编制的基础知识；(2)进行四轴编程节点计算及程序手工编制的训练；(3)学习基于CAM四轴加工刀路设计的方法；(4)了解四轴加工后置处理参数及其设置。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工二、单元学习目标(1)能识读四轴转换的几何关系，计算四轴加工所需的节点坐标；(2)能手工编制简单特征四轴加工的程序；(3)会借助CAM软件编制四轴加工的刀路，并正确识读加工程序；(4)初步掌握四轴加工后置处理参数的设置方法。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工三、着重关注的引导性问题(1)大多需要回转铣削加工的零件其实并不需要实质性的四轴联动控制，通常可
37、锁定某轴并以回转轴运动来取代，立卧式四轴机床加工时分别如何确定轴的取代关系?(2)采用回转四轴取代某直线运动时，两者之间是以什么关系进行转换计算的?几何图形的包络和展开与四轴编程有什么直接关系?学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工(3)MasterCAM对四轴加工的处理都有哪些方案?具等直径深度包络关系的线廓和槽形加工一般如何设计刀路?而大小深浅均变化的周槽曲面又该如何设计刀路?(4)角度步进和轴向步进实现四轴加工的方法有何不同?各适用于什么类型零件的加工?(5)四轴加工的粗精加工刀路分别应如何设计?无固定轴取代关系的四轴粗加工该如何实现?(6)四轴钻镗孔加工程序和三轴数控铣床的程序有多大区
38、别?若系统不能直接处理钻镗程序格式中的四轴代码，该如何编制程序?学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工四、单元学习知识基础(一)四轴数控加工的编程1四轴钻孔加工的节点计算及编程如图3.3.1所示，在一个圆柱体柱面上加工3-f10的孔，3孔中心线与柱体端面平行且交于一点，但3孔中的孔2、孔3的中心线与圆柱体轴心线并不相交。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.3.1 四轴钻孔加工图例学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工该零件的3个孔需要用带附加A轴的立式加工中心机床进行加工，若以轴端A面圆心处为X/Y/Z轴零点,以孔1中心为A轴零位方向(在没有其他有相对位置关系要求的加工特征时，可以任意
39、方位为孔1的角度方位)，孔2、孔3不仅要计算其回转角度A，还要计算相应的偏置值Y及控制孔深Z，如图3.3.2所示，各孔中心的四轴坐标可按如下方法计算。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工孔1：X1=15，Y1=0，Z1=253.5=21.5(3.5为钻尖补偿，包括约0.5的穿越)，A1=0孔2：如图3.3.2所示，A2=(180 40.89)=139.1(+A为工件旋转正方向)X2=15，Y2=25sin40.89=16.365Z2=25cos40.89 3.5=22.4 孔3：为孔2的镜像关系，即X3=15，Y3=16.365，Z3=22.4，A3=139.1学习情境三使用多轴机应床的综合
40、数控加工为此，编制该零件四轴钻孔加工程序如下(FANUC-0I格式)。O1234G54G90G0X0Y0A0S1200M3G43H1Z80.M8G98G83A0X15.Y0Z21.5R52.Q5F50 A-139.1Y-16.365Z-22.4 A139.1Y16.365Z-22.4G80G0X0Y0A0M9M30学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.3.2 孔位计算学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工【四轴钻孔编程计算练习】加工如图3.3.3所示尺寸要求的三个交叉孔，孔轴线在同一水平面内且交叉点不重合，选择卧式数控转台加工中心加工，要求先加工f100的孔，旋转105后加工f 40的孔
41、，再旋转165加工f 60的孔，试计算各孔轴线的X、Z坐标并编制其加工程序。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.3.3 四轴钻镗孔加工编程练习(二)学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工2四轴线廓控制的加工图3.3.4所示和调焦筒零件需在筒形坯料上加工一段直弧形通槽和两段螺旋通槽，如前所述采用弹性内胀式夹紧方法。加工时，采用f4的铣刀直接铣槽，用主、子程序调用形式实现分层加工。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.3.4 调焦筒零件及装夹结构学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工编程说明：由于所用刀具较小，程序按每层切深0.5mm，以主、子程序调用形式设计，每层铣完三个槽后提刀返
42、回到第一个槽下刀处再铣下一层。采用子程序调用的编程形式可较好地解决分层重复加工的程序大小的问题，大大简化程序量。但起始深度和每次提刀量的设计是个关键，本程序是采用增量编程，每层铣完三个槽后向上少提0.5mm，首次下刀的高度位置应按照最后一层铣完后的提刀位置保证在工件表面外来推算确定。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工3四轴槽形加工的自动编程图3.3.5所示的引斜螺杆零件是典型的周向异形槽加工的例子，对于等槽深的槽形构造，可以如图中所示，直接按照其展开的2D槽形边界编制出2D岛屿挖槽的刀路程序，再以Y轴保持不动，将其转换成附加四轴回转加工的刀路程序。学习
43、情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.3.5 引斜螺杆零件及槽形展开图学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工若附加第四轴是绕X轴回转的A轴，则从2D刀路转换到回转四轴刀路时，只需要将所有Y轴坐标向对应切削深度基圆圆周上进行包络换算即可，即按下式算法将刀路的移动Yn值换算成回转角度An值式中，D为对应切削深度上的基圆直径。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工利用MasterCAM的Mill模块自动编程时，可按图3.3.5绘制2D槽形及岛屿轮廓，在2D刀路定义时勾选旋转轴设定，按图3.3.6所示设定旋转轴取代Y轴即可获得此四轴加工刀路，其内部就采用的是这一算法原理。学习情境三使用多轴机应床的综
44、合数控加工图3.3.6 旋转轴取代设定学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.2.13所示为采用卧式四轴转台加工夹具支承体的局部柱面，可直接做其2D展开矩形槽的加工刀路，再设置旋转轴取代X轴，给定柱面直径大小后，再由CAM软件自动编制计算得到含B轴旋转控制的加工程序。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.2.13所示为采用卧式四轴转台加工夹具支承体的局部柱面，可直接做其2D展开矩形槽的加工刀路，再设置旋转轴取代X轴，给定柱面直径大小后，再由CAM软件自动编制计算得到含B轴旋转控制的加工程序。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.3.7 四轴轮廓铣削加工槽形 学习情境三使用多轴机
45、应床的综合数控加工图3.3.8 分流梭曲面槽及四轴刀路学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工选择好加工曲面与非加工曲面后，按图3.3.9设置旋转四轴的参数。可有以下两种切削方法：(1)以旋转轴切削为主，轴向步进分层加工。通常以设定回转中心的计算方法，刀具始终垂直于曲面切削，旋转切削一圈后轴向作一X步进距离，再进行旋转切削，刀路如图3.3.8(b)所示。(2)以轴向切削为主，逐步按增量A改变第四轴的旋转角度，再作轴向切削，刀路如图3.3.8(c)所示。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.3.9 旋转四轴加工参数设定学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工(二)底座壳体零件的四轴加工刀路设计
46、用卧式数控转台加工中心加工图3.3.10所示底座壳体零件，其加工工艺安排见表3.2.2。由于其侧壁窗口加工前为封闭状态，且壁厚及筋板处均留有较大余量，工艺设计时应根据实际余量大小，先作粗切加工以去除余料，总体上待全部窗口及筋板粗切余料去除后，再安排自然时效以充分释放残余应力，最后才进行窗口、筋板的精修和螺钉孔的加工。从结构形状分析可知，各窗口均包含开窗、铣柱状侧壁(含筋板)及系列螺孔加工等相同的内容。由于6个小窗的结构尺寸均相同，因此除大窗外，只需要做出一个窗口的刀路设计，即可通过旋转复制得到其他几个窗口的刀路。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.3.10 底座壳体零件图样学习情境三使
47、用多轴机应床的综合数控加工1侧壁窗口的粗切加工窗口粗切时可先钻引孔，然后从引孔处下刀以铣轮廓方式将窗框四边铣穿，由于窗口面积较大，若用铣槽加工方式则其加工效率太低，只需沿周边轮廓铣切分离即可。但为防止窗部残料整体掉落时出现夹刀而伤损刀具或破坏窗口轮廓，可按开放式轮廓铣切方式在顶边留下部分长度，最后单独铣切顶边，确保残料分离时能在自重作用下朝下方掉落，且利于在分离前对下方作缓冲物放置的防撞处理。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工对于窗框至筋板间直壁柱面部分的粗切，宜用挖槽刀路定义方式，内边界应适当延至窗框边界之内，在铣切直壁柱面的同时完成筋板侧壁的加工。以粗切后各处留0.5mm1mm的余量进
48、行考量，粗切刀路设计如下：学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工(1)首先从实体曲面上提取出窗框的内外边界，在以侧视面方向为构图面的设置下，将该内外边界解缠展开至侧视平面上，其操作设置如图3.3.11所示。解缠直径即为窗框边界轮廓所在的圆周直径，若以偏置角度为零解缠展开，则槽框边界将坐落在距侧视面中心距离为偏置角对应弧长的位置，可简化2D刀路转换到四轴时参数的设置。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.3.11 槽形窗框的解缠展开学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工(2)在侧视刀具/构图面设置下，对窗框展开边界做2D轮廓铣削和挖槽加工刀路的设计。如图3.3.12所示，包括钻引孔刀路、窗
49、口轮廓铣切刀路、顶边预留轮廓分断铣切刀路及窗框柱面环槽铣切刀路。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.3.12 窗框加工的2D刀路设计学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工根据铸件毛坯预留的设计余量，以窗外筒壁最终柱面(解缠展开面)为Z0深度，未加工毛坯面按设计余量设为Z8mm10mm，壁厚为内筒壁与最终柱面的半径差(小窗7mm、大窗11mm)，钻孔时深度穿越内壁超出5mm(即小窗Z-12、大窗Z-16)，铣窗口时深度穿越内壁超出0.5mm(小窗Z-7.5、大窗Z-11.5)，柱面铣切深度Z0.5mm，粗切后周边余留量为0.5mm1mm进行参数设置。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工
50、(3)如图3.3.13所示，对上述2D刀路进行旋转轴取代的设置，实现从2D刀路到4轴加工刀路的转换。在操作管理器中分别点选上述刀路的参数设置项，在共用刀路参数画页勾选旋转轴有效并按图示进行旋转轴的设置，以第4轴B替换取代X轴，旋转轴直径即为原始窗框解缠时的直径值，以实现从2D到空间柱面的还原。学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工图3.3.13 2D刀路到四轴刀路的转换学习情境三使用多轴机应床的综合数控加工2侧壁窗框的精修加工依照工艺设计，侧壁窗口精修时机应在所有窗口槽框粗切完成并经自然时效释放应力后。精修加工的刀路设计可直接利用粗切时所做的刀路，在此基础上去除粗切余量及分层切削的参数设定，紧
