五軸數(shù)控系統(tǒng)加工編程與操作 課件 項目一-五軸數(shù)控機床分類及典型應(yīng)用V3

項目一五軸數(shù)控機床分類及典型應(yīng)用

機械工業(yè)出版社《五軸數(shù)控系統(tǒng)加工編程與操作》學(xué)習(xí)任務(wù)：任務(wù)1.1五軸數(shù)控機床常見分類1任務(wù)1.2五軸加工特點及優(yōu)勢2任務(wù)1.3五軸加工典型應(yīng)用3任務(wù)1.5五軸數(shù)控系統(tǒng)與編程方法任務(wù)1.6五軸加工相關(guān)工藝系統(tǒng)任務(wù)1.7智能制造背景下的五軸加工技術(shù)任務(wù)1.4五軸加工分類方式7456學(xué)習(xí)目標(biāo)：知識目標(biāo)：根據(jù)機床各坐標(biāo)軸位置識別五軸數(shù)控機床的三大主要類型了解五軸加工特點與優(yōu)勢了解五軸數(shù)控機床常用行業(yè)及其典型零件比較五軸同步加工與定向加工的特點及區(qū)別了解五軸人機對話數(shù)控系統(tǒng)的特點及編程方法歸納五軸常見工藝系統(tǒng)，如刀具系統(tǒng)、夾具的分類及特點了解五軸技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用情況技能目標(biāo)：能夠根據(jù)機床結(jié)構(gòu)區(qū)分并說出五軸數(shù)控機床所屬類型能夠根據(jù)五軸典型零件的形狀及特點分辨其所屬行業(yè)領(lǐng)域能夠根據(jù)圖紙和零件特點選用五軸加工的方式能夠以SINUMERIK840Dsl五軸數(shù)控系統(tǒng)為例說出五軸的編程方法能夠根據(jù)圖紙和零件特點識別常用工藝系統(tǒng)產(chǎn)品，如刀具系統(tǒng)、夾具

課程安排

五軸數(shù)控機床（5-Axis），指的是X、Y、Z，三根常見的直線軸上加上兩根旋轉(zhuǎn)軸。A、B、C三軸中的兩個旋轉(zhuǎn)軸具有不同的運動方式。通過不同的組合，主要有主軸傾斜式、工作臺傾斜式、工作臺/主軸傾斜式三大類形式。任務(wù)1.1五軸數(shù)控機床常見分類及特點1.1.1主軸傾斜式五軸數(shù)控機床

兩個旋轉(zhuǎn)軸都在主軸頭一側(cè)的機床結(jié)構(gòu)，稱為主軸傾斜五軸機床，或稱為雙擺頭結(jié)構(gòu)五軸機床。特點:主軸運動靈活，工作臺承載能力強且尺寸可以設(shè)計的非常大。適用于加工船舶推進器，飛機機身模具、汽車覆蓋件模具等大型零部件。主軸的剛性和承載能力較低，不利于重載切削。主要分為兩個結(jié)構(gòu)形式：

1）十字交叉型雙擺頭五軸數(shù)控機床結(jié)構(gòu)2）刀軸俯垂型五軸數(shù)控機床結(jié)構(gòu)十字交叉擺頭結(jié)構(gòu)

刀軸俯垂擺頭結(jié)構(gòu)1.1.2工作臺傾斜式五軸數(shù)控機床

兩個旋轉(zhuǎn)軸都在工作臺一側(cè)的機床結(jié)構(gòu)，稱為工作臺傾斜式五軸數(shù)控機床，或稱為雙轉(zhuǎn)臺五軸結(jié)構(gòu)機床。特點：主軸結(jié)構(gòu)簡單，剛性較好。制造成本較低，C軸回轉(zhuǎn)臺可無限制旋轉(zhuǎn)，但由于工作臺為主要回轉(zhuǎn)部件，尺寸受限。承載能力不大，不適合加工過大的零件。主要分為兩個結(jié)構(gòu)形式：1）B軸俯垂工作臺五軸數(shù)控機床2）雙轉(zhuǎn)臺（搖籃式）結(jié)構(gòu)五軸數(shù)控機床工作臺俯垂結(jié)構(gòu)

雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)1.1.3主軸/工作臺傾斜式五軸數(shù)控機床

兩個旋轉(zhuǎn)軸中的主軸頭設(shè)置在刀軸一側(cè)，另一個旋轉(zhuǎn)軸在工作臺一側(cè)，稱為工作臺/主軸傾斜式五軸結(jié)構(gòu)，或稱為擺頭轉(zhuǎn)臺式五軸結(jié)構(gòu)。

特點：旋轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)布局較為靈活，可以是Ａ/Ｂ/Ｃ三軸中的任意兩軸組合，其結(jié)合了主軸傾斜和工作臺傾斜的優(yōu)點，加工靈活性和承載能力均有所改善。工作臺/主軸傾斜結(jié)構(gòu)

工作臺/主軸傾斜結(jié)構(gòu)機床任務(wù)1.2五軸數(shù)控加工特點及優(yōu)勢1.2.1改善切削狀態(tài)和切削條件

如圖a）所示，當(dāng)切削刀具向頂端或工件邊緣移動時，切削狀態(tài)逐漸變差。為保持最佳切削狀態(tài)，就需要旋轉(zhuǎn)工作臺。如果要完整加工不規(guī)則平面，還需要將工作臺以不同方向多次旋轉(zhuǎn)。如圖b）刀尖位置示意圖可知，五軸機床偏轉(zhuǎn)刀具可以避免球頭銑刀中心點切削速度為0情況，獲得更好的表面質(zhì)量。a）三軸切削與五軸切削方式

b）球刀刀尖位置比對圖任務(wù)1.2五軸數(shù)控加工特點及優(yōu)勢1.2.2效率提升與干涉消除

如圖所示，針對葉輪、葉片和模具陡峭側(cè)壁加工，三軸數(shù)控機床無法滿足加工要求，五軸數(shù)控機床則可以通過刀軸空間姿態(tài)角控制，完成此類加工內(nèi)容。同時可以實現(xiàn)短刀具加工深型腔，有效提升系統(tǒng)剛性，減少刀具數(shù)量，避免專用刀具，擴大通用刀具的使用范圍，從而降低了生產(chǎn)成本。

如圖所示，對于一些傾斜面，五軸數(shù)控加工能夠利用刀具側(cè)刃以周銑方式完成零件側(cè)壁切削，從而提高加工效率和表面質(zhì)量。而三軸數(shù)控加工則依靠刀具的分層切削和后續(xù)打磨來逼近傾斜面。五軸在陡峭側(cè)壁加工避免刀具干涉

五軸在斜側(cè)壁特征零件加工中的應(yīng)用任務(wù)1.2五軸數(shù)控加工特點及優(yōu)勢1.2.3生產(chǎn)制造鏈和生產(chǎn)周期縮短

五軸數(shù)控機床通過主軸頭偏擺進行側(cè)壁加工，不需要多次零件裝夾，有效減少了定位誤差，提高了加工精度,并且使生產(chǎn)制造鏈縮短。在航空航天、汽車等領(lǐng)域，具備高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力能夠很好地解決新產(chǎn)品研發(fā)過程中復(fù)雜零件加工的精度和周期問題，大大縮短研發(fā)周期和提高新產(chǎn)品的成功率。

五軸一次裝夾加工多面航空結(jié)構(gòu)件任務(wù)1.3五軸加工典型應(yīng)用b）藝術(shù)品模型加工a）異型零件加工

1.3.1異形零部件及藝術(shù)品加工

五軸數(shù)控機床具有三個線性軸和兩個旋轉(zhuǎn)軸，刀具可以切削3軸機床和4軸機床無法切削的位置，尤其是對于一些具有非對稱，且不在一個基準(zhǔn)平面上的異型零部件具有一次裝夾，一次加工成型的優(yōu)勢。任務(wù)1.3五軸加工典型應(yīng)用1.3.2模具制造領(lǐng)域應(yīng)用

五軸加工技術(shù)在模具制造應(yīng)用較廣，如曲面、清角、深腔、空間角度孔等。五軸加工技術(shù)能夠解決模具中超高型芯和超深型腔等加工難題。a）復(fù)雜模芯加工

b）沖壓模具加工任務(wù)1.3五軸加工典型應(yīng)用1.3.3汽車領(lǐng)域結(jié)構(gòu)殼體及箱體加工

五軸數(shù)控機床的應(yīng)用能夠降低汽車殼體和箱體類零件夾具的復(fù)雜性，通過簡單的裝夾方案，將工序進行集中，從而降低成本，提高加工精度。a）結(jié)構(gòu)殼體加工b）箱體零件加工任務(wù)1.3五軸加工典型應(yīng)用1.3.4發(fā)動機領(lǐng)域葉輪及葉片加工

五軸數(shù)控機床能夠控制刀軸空間姿態(tài)，通過同步加工使刀具上某一最佳切削位置始終參與加工，實現(xiàn)曲面跟隨切削，極大地提高了整體葉輪的曲面精度和葉輪在使用中的工作效率。a）半封閉式葉輪加工

b）開放式葉輪加工任務(wù)1.3五軸加工典型應(yīng)用1.3.5航空、航天制造領(lǐng)域應(yīng)用

航空結(jié)構(gòu)件變斜面整體加工效果的實現(xiàn)，需要機床五軸聯(lián)動配合刀具側(cè)刃進行切削，以保證曲面連續(xù)性和完整性，此外結(jié)構(gòu)件連接肋板和強度肋板的負(fù)角度側(cè)壁，以及大深度型腔的加工，都需要五軸控制刀軸矢量角實現(xiàn)有效切削。a）大型曲面加工

b）變斜面結(jié)構(gòu)件加工任務(wù)1.3五軸加工典型應(yīng)用1.3.6汽車及醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用如圖a）所示，通過五軸聯(lián)動再配合管道的加工工藝方式可以實現(xiàn)彎曲氣缸孔壁的銑削加工。如圖b）所示，醫(yī)療行業(yè)中骨板、牙模等空間異型零件的加工，若采用五軸數(shù)控機床可以簡化此類零件的制造難度，有效提高生產(chǎn)效率。a）汽車氣缸加工

b）骨骼關(guān)節(jié)板加工任務(wù)1.4五軸加工方式分類1.4.1五軸定位加工五軸定位加工分為“3+2”和“4+1”兩種類型。所謂3+2或4+1定向加工，即五軸數(shù)控機床的部分進給軸（主要是旋轉(zhuǎn)軸）在加工動作實施過程中，僅起到刀具軸空間姿態(tài)或工件空間位置的方向改變且固定不做進給運動，同時另一部分進給軸實施進給動作，從而保證切削運動的有效實施，定向加工可以實現(xiàn)多工序集中，有效減少工件裝夾的次數(shù)，從而避免定位誤差對加工精度造成的影響。a）3+2五軸定向加工

b）4+1五軸定向加工任務(wù)1.4五軸加工方式分類1.4.2五軸同步加工

五軸同步加工又稱為五軸聯(lián)動加工，即機床的五個進給軸根據(jù)程序同時實現(xiàn)五軸插補運動。通過五個坐標(biāo)軸的聯(lián)動，保證采用刀具刃部切削速度最理想的位置進行切削，避免刀具制造誤差和靜點切削對零件尺寸和表面質(zhì)量產(chǎn)生的影響，有效提高加工精度和加工效率。a）葉輪五軸同步加工b）空間直紋面五軸同步加工任務(wù)1.4五軸加工方式分類1.4.3“3+2”定向加工與5軸同步加工特點比對項目3+2軸定向加工5軸同步加工優(yōu)點1）較小的編程成本；2）只采用線性軸運動，因此無動態(tài)限制；3）加工具有較大的剛性，由此提高刀具使用壽命和表面質(zhì)量1）在固定裝夾位置上可加工較深型腔側(cè)壁和底面；2）可采用緊湊裝夾位置的較短刀具；3）工件表面質(zhì)量均勻，無過渡接刀痕跡；4）減少特種刀具的使用，降低成本；缺點1）工件幾何尺寸的限制，刀具無法切削到較深的型腔側(cè)壁和底面；2）采用較長的刀具銑削深的輪廓，加工質(zhì)量和效率會受到影響；3）進刀位置較多，增加了加工的時間且產(chǎn)生了明顯的過渡接刀痕跡；1）較高的編程成本高碰撞危險；2）因運動的補償運動，加工時間常常被延長；3）由于采用了更多的軸，運動誤差可能會自行增加；任務(wù)1.4五軸加工方式分類1.4.4“3+2”定向加工方式在技能競賽中的應(yīng)用介紹

近幾年“3+2”五軸定向加工方式在五軸技能競賽中應(yīng)用廣泛，實現(xiàn)非正交平面上圖形編程的應(yīng)用和考核越來越多，不同的數(shù)控系統(tǒng)在編寫“3+2”定向加工程序時均有其特點。第七屆數(shù)控大賽五軸加工賽項——主艙體零件圖（樣題）任務(wù)1.5五軸數(shù)控系統(tǒng)與編程方法1.5.1高檔五軸數(shù)控系統(tǒng)簡介

目前先進的高檔五軸數(shù)控系統(tǒng)一般采用最先進的多核處理器技術(shù)、基于驅(qū)動的高性能NCU（數(shù)控單元）。以SINUMERIK840Dsl為例，其系統(tǒng)高性能主要體現(xiàn)：（1）高度模塊化，并配備數(shù)量極多的軸，可在最多30個加工通道中控制多達93根軸。（2）5軸模具加工中心進行高速切削時的超高精度和動態(tài)，加工性能。（3）最佳的數(shù)控性能以及空前的靈活性和開放性。高度系統(tǒng)開放性使機床制造商能夠?qū)⒖刂葡到y(tǒng)的性能與機床工藝相融合，涵蓋多種附加解決方案、產(chǎn)品和服務(wù)。（4）系統(tǒng)通用性，從五軸加工領(lǐng)域來說，適用于車銑復(fù)合、五軸龍門、五軸激光加工、五軸3D打印、五軸工業(yè)機器人數(shù)控加工控制等工藝，如圖1-22所示。（5）廣泛的高精尖行業(yè)認(rèn)可度，如應(yīng)用于航空航天、船舶制造、醫(yī)療器械、模具加工等領(lǐng)域，既適合大批量生產(chǎn)也能滿足單件小批量生產(chǎn)的要求。SINUMERIKE840Dsl五軸數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用加工領(lǐng)域任務(wù)1.5五軸數(shù)控系統(tǒng)與編程方法1.5.2五軸數(shù)控加工編程方式總體介紹

特

點國標(biāo)G代碼手工編程

一般通過CAM生成G代碼，除極簡單和老式五軸機，基本不適用于手工G代碼編程。宏程序（參數(shù)編程）

對編程人員要求很高，需要熟練記憶代碼，只適用規(guī)則、少品種大批量零件編程。人機對話混合編程

對于大多數(shù)的規(guī)則空間箱體、軸類、結(jié)構(gòu)件適用，不用另外購置CAM軟件及建模，只要懂得工藝即可編程，編程結(jié)果可以通過系統(tǒng)3D零件仿真，程序量小，系統(tǒng)直接啟動。（人機對話混合編程由于含部分代碼，不如工步編程直觀、簡便）人機對話工步編程CAM軟件編程

適用于任何零件，尤其是曲面加工。但是對于軟件后置處理（需熟悉數(shù)控系統(tǒng)五軸變換、刀尖跟隨、程序壓縮等指令）對復(fù)雜零件裝夾和實體的建模要求較高。各種編程方式比對任務(wù)1.5五軸加工相關(guān)工藝系統(tǒng)

五軸加工工藝與三軸加工工藝基本相同，坐標(biāo)軸數(shù)增加的作用可以減少工件的裝夾定位次數(shù)，實現(xiàn)一次裝夾完成盡可能多的加工內(nèi)容，實現(xiàn)工序集中。簡單來說，除機床外，五軸加工工藝系統(tǒng)，同樣包括刀具系統(tǒng)（刀柄、刀具）、夾具系統(tǒng)和工件系統(tǒng)。五軸工藝系統(tǒng)部分常見五軸刀具系統(tǒng)任務(wù)1.6五軸加工相關(guān)工藝系統(tǒng)1.6.1五軸相關(guān)刀具系統(tǒng)介紹

刀具系統(tǒng)是工藝系統(tǒng)重要組成部分，由刀柄和刀具兩部分組成，合理地選用刀柄不僅可以提高加工精度還可以有效降低工藝難度。根據(jù)機床的主軸錐孔不同，通常分為兩大類，即通用刀柄和高速刀柄。1、通用刀柄:7:24錐度刀柄是機床領(lǐng)域應(yīng)用最普遍的主軸接口形式，容易拆卸，無自鎖。通常有5種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格，即NT、DIN69871（德國標(biāo)準(zhǔn)）、IS07388/1（國際標(biāo)準(zhǔn)）、MASBT（日本標(biāo)準(zhǔn)）、ANSI/ASME（美國標(biāo)準(zhǔn)）。主軸通過將刀柄尾部拉釘將刀柄拉緊。目前國內(nèi)使用最多的是DIN69871型即JT）和MASBT型兩種。7:24刀柄加緊示意簡圖2.高速刀柄

由于7:24的通用刀柄是靠刀柄的7:24錐面與機床主軸孔的7:24錐面接觸定位連接的，在高速加工、連接剛性和重合精度三方面有局限性。在五軸加工，尤其是高速中出現(xiàn)了HSK，其余還有KM、NC5刀柄、CAPTO等多種型號類型。HSK刀柄夾緊示意簡圖1.6.2五軸相關(guān)刀具介紹

序號

三軸加工

五軸加工1

刀具過長引發(fā)刀具震動

五軸空間擺動，縮短刀具裝夾長度剛性更好2

表面粗糙度超差

高剛性保證振動減少，表面質(zhì)量更高3

多次裝夾頻繁換刀，加工效率下降

大多數(shù)情況下，一次裝夾加工效率更高4

刀具數(shù)量增加，成本過高

充分利用空間偏擺，所需刀具數(shù)量相對更少5